В настоящее время основными методами исследования структурных особенностей воды являются: инфракрасное поглощение, рассеяние нейтронов и ядерный магнитный резонанс.
Информация, полученная от этих экспериментов и от теоретических вычислений, привела к развитию приблизительно двадцати моделей, которые пытаются объяснить структуру и поведение воды. Компьютерное моделирование позволяет исследовать, насколько хорошо эти модели в состоянии предсказать наблюдаемые физические параметры воды.
Проведенные исследования позволяют однозначно установить сам факт существования структур в воде, однако не дают однозначного ответа на роль этих структур в формировании особых физических, химических и биологических свойств воды.
Существует множество причин для этого, но основной является то, что самое понятие “структуры” (и водных “кластеров”) зависит и от периода времени и от количества упорядоченных молекул.
Можно считать открытыми следующие вопросы:
1) Как отличить «членов кластера» от смежных молекул, которые не находятся в том кластере?
2) Можно ли говорить о сколь-нибудь значительном времени существования упорядоченной структуры, если тепловые движения образуют и разрывают водородные связи за время порядка нескольких пикосекунд?
3) В большинстве моделей, кластеры являются переходными короткоживущими образованиями, тогда как “структура” подразумевает молекулярную связь, которая более устойчива. Можно ли в таком случае термин “кластеры” в описании структуры воды?
Принятая в начале 50-х годов модель “мерцающих кластеров” показала свою непригодность при объяснении большинства свойств воды, обнаруженных в результате последующих экспериментов.
Развитие методов компьютерного моделирования привело к представлению о воде, как своеобразном «геле», состоящем из единственного, огромного связанного водородом кластера. На временных рамках 10-12-10-9 секунд вращения и другие тепловые движения заставляют индивидуальные водородные связи разрушаться и вновь образовываться в новых конфигурациях, приводящих к возникновению локальных «пустот», параметры которых зависят от температуры и давления. Так недавние исследования [UC-Berkely Richard Saykally’s laboratory] показывают, что водородные связи в жидкой воде разрываются и образуются настолько быстро (часто в искаженных конфигурациях), что она может быть представлена как непрерывная сеть связанных водородом молекул.
Весьма вероятно, что кластерные структуры, состоящие из небольшого количества молекул, могут существовать достаточно долго, однако не настолько, чтобы их можно было наблюдать как отдельные структурные образования в общей однородной массе воды. Теоретические исследования предполагают, что при температуре, близкой к нулю оС устойчивые кластеры могут содержать до 90 молекул, но при температуре 70 оС количество молекул в теоретически рассчитанном кластере не может превышать 25. Следует отметить, что до настоящего времени ни одним экспериментом не зафиксировано ни одно изолированное образование в чистой воде.
Большинство исследователей согласно в том, что в воде наверняка присутствуют энергетически наиболее выгодные кластеры, состоящие из 4-х молекул, объединенных в тетраэдрическую структуру. Есть сообщения, что экспериментально установлено устойчивое существование таких структур в течение десятков пикосекунд. При облучении инфракрасным излучением удавалось увеличить это время до нескольких наносекунд. Это время вполне достаточно, чтобы говорить о существовании при определенных условиях, структурированной воды.
По некоторым подсчетам в виде тем или иным образом организованных кластерах находится до 80% молекул в чистой воде.
Следует отметить, что сам термин «чистая вода» не является корректным, т.к. абсолютно чистой, т.е. содержащей пропорциональные количества атомов Н1 и О16, не существует вообще.
Дистиллированная и деминерализованная вода, которая используется в лабораторных экспериментах, всегда содержит растворенные атмосферные газы, включая окислы углерода. Также в воде всегда присутствуют и изотопы водорода (D) и кислорода (О18), которые создают в общем случае 4 модификации молекул воды.
Кроме того, молекулы воды отличаются друг от друга, направлениями спинов протонов, образующих молекулу Н2О. Различают пара- и ортоводу в зависимости от того параллельны или антипараллельны спины протонов, образующих молекулу. Эти молекулы хорошо различаются в спектрах инфракрасного излучения водяного пара, а также методами ЯМР. Пара- и ортовода присутствует практически в любом образце воды в пропорции 1:3. С учетом того, что паравода энергетически менее выгодна, чем ортовода, до сих пор нет ясности в том, какие факторы обеспечивают достаточно стабильное соблюдение этой пропорции в воде из различных источников.
В отличие от этого, концентрации изотопных молекул воды изменяются в очень широких пределах в зависимости от источника воды и времени. Последнее обстоятельство создает значительные трудности при сравнении результатов «тонких» экспериментов с водой, проводимых различными исследователями в разное время и в разных местах.
Неоднородность структуры воды в значительной мере делает беспредметным споры ученых о возможности существования долгоживущих структурированных ассоциатов (полимеров, кластеров, клатратов), так как все модели, исходящие из рассмотрения воды в виде смеси одинаковых молекул не могут быть проверены на практике. Равным образом и расчеты, обосновывающие энергетическую невозможность существования ассоциатов в течение измеряемого времени, представляют чисто академический интерес, если исходят из однородности жидкой воды.
Примеси, постоянно присутствующие в воде, приводят к тому, что часть воды во внешне однородной жидкости, находится в связанном состоянии.
Неоднородности, создающие связанные состояния воды, могу иметь различную природу.
Первой наиболее распространенной неоднородностью, является твердая поверхность. Этой поверхностью может являться стенка сосуда, в который налита вода. Около поверхности молекулы воды ориентируются и создают дипольный момент, приводящий к упорядоченности ближайших к ним молекул в относительно устойчивые ассоциаты. Как показывают эксперименты, обычно кислород «садится» на стенку, а водород создает положительно заряженный слой вблизи поверхности.
Аналогичным образом может образовываться первичный слой гидратации на положительно заряженных ионах, например Na+, которые появляются при растворении обычной поваренной соли. Этот слой образован, окружающими ион натрия, молекулами воды, ориентированными таким образом, что атомы кислорода, находятся внутри, создавая сферический положительно заряженный слой, образованный повернутыми наружу атомами водорода. Эта упорядоченная структура из нескольких молекул воды за счет водородных связей создает внешнюю гидратную оболочку, содержащую уже десятки и сотни молекул воды.
В 2003 индийские химики обнаружили, что подходящая молекулярная основа может заставить молекулы воды сформировать “нить”, которая распространяться в объем воды далеко за пределы основы.
Наконец, в 2006 году из университета Nebraska-Lincoln поступило сообщение о том, что вода способна сформировать подобную ДНК двойную винтовую спираль в пределах углеродных нанотрубок, которые подвергнуты высокому давлению.
Таким образом, вода способна создавать высокоорганизованные локальные структуры, в результате взаимодействия с молекулами, способными к созданию этих структур.
Как показали исследования, проводившиеся в 2001-2005 в Институте физико-химической биологии им. Белозерского, гидратные оболочки имеют способность образовываться и вокруг гидрофобных электрически нейтральных молекул, таких как молекулярные кислород и азот, всегда растворенные в воде в значительных концентрациях. В этом случае водная структура имеет форму додекаэдрического клатрата, состоящего из 20 молекул.
Другой механизм образования устойчивых структур в воде связан с возможностью образования молекулами воды водородной связи с другими молекулами, которые имеют ОН или NH2 радикалы. Такими веществами являются, например, простые молекулы, такие как спирты, поверхности, такие как стекло, и макромолекулы, такие как белки.
Биологическая деятельность белков критически зависит не только от их состава, но также и от способа, которым свернуты эти огромные молекулы. В свернутом виде эти молекулы имеют форму клубков, прочность которых обеспечивается помимо внутримолекулярных связей, еще и взаимодействием с водой по механизму водородной связи.
Если удалить тем или иным способом воду из молекулы белка, то его биологическая деятельность полностью разрушится.
Таким образом, вода, связанная с белком, является структурированной и стабильной до тех пор, пока стабильна структура белка и, наоборот стабильность белкового клубка обеспечивается структурой водородных связей, включенной в него воды.