Vattnet inpå livet

En egenskap hos vatten som länge har fascinerat forskarna är den höga rörligheten hos vattenmolekylens negativt laddade hydroxidjon, OH–. Jonernas rörlighet gör det möjligt att reaktioner på en plats påverkar kemin i den omgivande vätskan nästan ögonblickligen.

Tidigare har forskarna trott att vattnets positiva och negativa joner (H3O+ och OH–) beter sig som var­and­ras spegelbilder när det gäller vätebindningar som styr deras rörlighet. Men detta har inte stämt med mätningar av jonernas faktiska rörlighet.

För en tid sedan presenterades avancerade beräkningar som pekar på en möjlig förklaring: trots sin negativa laddning skulle hydroxidjonerna kunna attrahera den negativa syreänden hos närbelägna vattenmolekyler, vilket skulle kunna förklara deras oväntade snabbhet och avvikande beteende jämfört med H3O+.

För att undersöka detta har vi gjort experiment med mjukröntgen på en basisk vattenlösning, som innehåller extra många hydroxidjoner. Om röntgenljuset har exakt rätt energi när det träffar en hydroxidjon kan en av jonens djupt liggande elektroner knuffas upp i ett högre energitillstånd. Det intressanta är att vi kort därefter kan se en elektron som kommer från en närliggande vattenmolekyl. Det innebär att energin överförts till denna – och det kan bara ske så effektivt om hydroxidjonerna binder med sin väteände. Vi har alltså funnit direkt experimentellt stöd för att de svaga och kortlivade bindningarna faktiskt finns, vilket vi beskriver i en artikel i tidskriften Nature.

Att endast ett sådant här avancerat experiment kan avslöja hur vatten samverkar med sina egna joner visar hur svårt det är att få information om de flyktiga vätebindningarna i västkan.

Forskningen har i dag en ofullständig bild av hur vätskeytor är sammansatta och hur de beter sig. Det gäller såväl havsytan som ytan på vattendroppar i moln. Man skulle kunna tro att ytan inte spelar så stor roll, eftersom den utgör så liten del av vätskan. Men den spelar all roll i världen, för även om andelen molekyler och joner som befinner sig i de yttersta ytlagren av havsvattnet är försvinnande liten, så är det bara dessa som har direktkontakt med luft.

På senare år har atmosfärs­kemister kartlagt ett antal oväntade reaktioner som sker vid vattenytor och som kan vara av stor vikt för atmosfärens kemiska sammansättning. Till exempel bildas det klorgas, Cl2, vid havsytan när solen skiner. Detta måste innebära att klorsalter i havsytan reagerar med gasmolekyler i luften under inverkan av ljus. Men det borde inte vara möjligt enligt klassiska teorier, som säger att saltjoner är bortstötta från de yttersta molekyllagren i vattenlösningar. Alltså verkar teorin inte stämma med vad man har observerat i verkligheten.

Under de senaste åren har ett antal mer sofistikerade beräkningar gjorts som visar att vissa salter faktiskt kan ta sig ut till vätskeytan. Det som avgör om detta är möjligt är deras laddning, storlek och hur bra deras yttersta elektroner är på att omfördela sig runt jonen. Stora och negativt laddade saltjoner med flexibla elektroner bedöms ha bäst chans att ta sig ut till vätskeytan.

###Ser djupare med ökad energi

Det har varit svårt att bekräfta beräkningarna med praktiska experiment, eftersom man bara vill undersöka de allra yttersta molekyllagren i en vätska. Men med våra metoder går det att mäta just detta, eftersom elektroner inte kan färdas långt i vätskan – de elektroner som vi detekterar kommer endast från ytlag­ren. En annan fördel med denna teknik är att vi kan ändra ytkänsligheten genom att variera energin på röntgenljuset.

Vi har nyligen gjort mätningar på två av de salter som finns i atmosfäriska vattendroppar – natriumklorid (NaCl) och natriumperklorat (NaClO4) lösta tillsammans i vatten. Mycket riktigt visar experimentet en starkare signal från den större och mer flexibla natriumperkloratjonen. Genom att ändra energin hos röntgenljuset kan vi titta djupare in i vätskan, varefter skillnaden mellan de två signalerna blir mindre. På så vis kan vi kartlägga hur jonerna ligger i ytan på vätskan, molekyllager för molekyllager.

Allt liv vi känner till byggs upp av proteiner. De är stora molekyler som sätts samman av enkla så kallade aminosyror i en lång kedja och sedan viker sig i vatten för att få sin fulla biologiska funktion. Biologerna har i dag kraftfulla verktyg för att studera proteinernas struktur, vilket är avgörande bland annat för att kunna utveckla många mediciner. Dessa metoder är dock inte känsliga för den elektroniska strukturen i enskilda delar av proteinet som kan spela stor roll för hur detta fungerar i vattenlösning.

Nyligen har vi gjort de första mätningarna med elektronspektroskopi av den enklaste aminosyran, glycin, i vattenlösning. Fysikerna har studerat denna fascinerande molekyl som gas i många år, där den exi­sterar bara i en form. Löst i vatten kan den dock anta tre olika former, beroende på hur sur eller basisk lösningen är.

De olika varianterna bestämmer de kemiska egenskaperna på olika platser i molekylen. Våra mätningar har visat att elektronspektroskopi kan ge exakt information om hur aminosyrornas elektroniska struktur förändrar sig i lösning jämfört med i gasfas. Genom att jämföra mätresultaten med beräkningar har vi även lyckats dra slutsatser om hur vattenmolekylerna samspelar med glycin. Förhoppningen är att på sikt bättre kunna förstå de specifika fenomen i vatten som gör biologiskt liv möjligt, ända ner på elektronnivå.