Weltwassertag
Die seltsamste Flüssigkeit der Welt
Bild: shutterstock / Peter Bocklandt
Wasser ist alltäglich. Und doch sind viele seiner verblüffenden Eigenschaften, die entscheidend für die Entstehung und den Erhalt des Lebens sind, bis heute nicht richtig verstanden.
Bäche plätschern, Wellen tosen, Regen prasselt, der Hahn im Badezimmer tropft. Wasser ist uns ein treuer Begleiter – als grandioses Naturschauspiel, als Basis allen Lebens oder auch als feuchtes Ärgernis. In den Augen der Wissenschaft aber bleibt H2O ein Mysterium. Es besteht zwar aus nur drei Atomen – zweimal Wasserstoff, einmal Sauerstoff, doch aus dieser simplen Konstellation resultieren ungewöhnliche Eigenschaften: Statt wie andere, vergleichbare Stoffe bei Raumtemperatur gasförmig durchs Zimmer zu schwirren, verharrt Wasser flüssig in Trinkbechern und Blumenvasen. Statt unter Hochdruck zäher zu werden, wird Wasser dünnflüssig. Statt in die Tiefe zu sinken, schwimmen Eisberge majestätisch über die Polarmeere. Und ohne die wassereigenen Kapillarkräfte könnten sich Pflanzen nicht mit Nährstoffen versorgen.
Mittlerweile zählt die Wissenschaft mehr als 50 dieser Wasseranomalien, die für unser Dasein essenziell sind. „Wäre Wasser nicht so seltsam, würden wir nicht existieren“, sagt Anders Nilsson von der Universität Stockholm, einer der renommiertesten Wasserforscher der Welt. Dennoch sind bislang die wenigsten dieser Anomalien fundiert verstanden – es ist noch viel Grundlagenforschung nötig, um die Eigenschaften und Interaktionen von Wassermolekülen zu enträtseln.
Diese Forschung soll in einem neuen, weltweit einzigartigen Zentrum gebündelt werden: Gemeinsam mit Partnern aus ganz Europa plant DESY den Bau des Centre for Molecular Water Science, kurz CMWS. Interdisziplinär angelegt soll es das Thema aus den unterschiedlichsten Fachrichtungen beleuchten: Physik, Biophysik, Medizin, Klimaforschung, Astrochemie, Umwelttechnik.
Wasser ist ungewöhnlich
Am stärksten zeigen sich die Anomalien, wenn Wasser stark unterkühlt ist. Entgegen unserer Alltagserfahrung kristallisiert H2O nicht zwangsläufig bei null Grad Celsius zu Eis. Wenn es hochrein ist, kann es auch bei Minusgraden flüssig bleiben, denn es mangelt an Kondensationskeimen, an denen sich die Eiskristalle bilden. Die Tröpfchen einer Wolke können daher bis zu minus 30 Grad Celsius kalt sein.
Auch im Labor verhält sich das frostige Nass manchmal eigenartig: Anders als andere Stoffe lässt es sich besser zusammenpressen, je kälter es ist. Ähnlich bei der Wärmekapazität: Je kälter Wasser ist, desto mehr Wärme kann es aufnehmen. Die Fachwelt führt diese Anomalien auf den Aufbau des Wassermoleküls zurück: Seinen „Rumpf“ bildet das Sauerstoffatom, von dem die beiden Wasserstoffatome als „Ärmchen“ abzweigen. Der Rumpf ist eher negativ geladen, die Ärmchen dagegen positiv. Das bewirkt eine Anziehung zwischen den Molekülen: Der negative Rumpf eines Moleküls wird zu den positiven Ärmchen eines anderen hingezogen – und bildet kurzzeitig eine Bindung aus, die Wasserstoffbrückenbindung.
Demnach lässt sich Wasser als ein waberndes Netzwerk aus lauter Molekülen verstehen. Diese knüpfen ständig spontane Bindungen zu ihren Nachbarn – nur um sie gleich wieder zu kappen. Dabei vermutet die Fachwelt seit längerem, dass es – je nach Anzahl und Orientierung der Brückenbindungen – zwei verschiedene Zustände von Wasser gibt: einen dichteren (HDL = High-Density Liquid) und einen weniger dichten (LDL = Low-Density Liquid). Die Dichte von HDL ist um 10 bis 20 Prozent größer als die von LDL. Im Grunde setzt sich Wasser also aus zwei verschiedenen Sorten zusammen. Und dann wäre es das Wechselspiel dieser beiden, das hinter den Anomalien steckt.
Ein Glas Wasser bei Raumtemperatur dürfte vor allem aus der HDL-Phase bestehen – mit winzigen Einsprengseln aus 20 bis 30 Molekülen, die sich vorübergehend zu einer LDL-Phase zusammentun. Das Problem: Die Einsprengsel sind so kurzlebig, dass es neue Messtechniken braucht, um sie aufzuspüren. Am CMWS sollen sie entwickelt werden, um dann zu beobachten, ob die Miniblasen bei kühleren Temperaturen wachsen und stabiler werden – die HDL/LDL-These wäre bewiesen.
Bei bestimmten glasartigen Varianten von Wassereis wurden bereits zwei Pendants namens HDA (High-Density Amorphous Ice) und LDA (Low-Density Amorphous Ice) entdeckt. 2017 war einem Team um Anders Nilsson, den DESY-Physiker Gerhard Grübel und den Innsbrucker Eisforscher Thomas Lörting ein bemerkenswertes Experiment geglückt: Mit Hilfe von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III konnte die Arbeitsgruppe beobachten, wie HDA-Eis bei minus 150 Grad und raschem Erhitzen zu HDL-Wasser schmolz. Einen winzigen Augenblick mutierte dieses zu LDL-Wasser, um danach wieder zu Eis zu erstarren, diesmal in der LDA-Form.
Für extrem niedrige Temperaturen scheint die Existenz beider Wassersorten damit bestätigt. Nun fehlt noch der endgültige, schlagende Beleg: der Nachweis von HDL und LDL in flüssigem Wasser.
Wasser im Röntgenlaser
Manche Forschungsteams verfolgen dabei den Ansatz, hochreines Wasser mit Salzen zu versetzen, um kontrolliert den Gefrierpunkt zu senken ohne die anomalen Eigenschaften zu beeinflussen. Andere setzen auf Röntgenlaser wie den European XFEL in Hamburg. Dieser erzeugt ultrakurze Röntgenblitze, die extrem rasante Prozesse analysieren können. So lässt sich Wasser sehr schnell abkühlen und dennoch genau beobachten, was derweil mit ihm passiert.
Melanie Schnell erklärt, warum das Centre for Molecular Water Science am DESY entsteht
Eines der Teams, die Wasser per Röntgenlaser untersuchen, schart sich um Gerhard Grübel, der auch zu den Koordinatoren des neuen Wasserzentrums gehört. In seinem Labor steht das Kernstück seines Experiments: ein Metallgebilde aus zwei sich kreuzenden Vakuumröhren, das an das Modell einer Raumstation denken lässt. „Durch die eine Röhre fliegt ein Strahl aus feinsten Wassertröpfchen“, erklärt Grübel. „Durch das andere schießen die ultrakurzen Röntgenblitze, mit denen wir die Tröpfchen durchleuchten.“ Die Hoffnung: Die Tröpfchen sind so stark unterkühlt, dass sich das Miteinander von HDL und LDL deutlich zeigen müsste, wenn Tröpfchen und Röntgenblitze in der Kreuzung der Rohre aufeinandertreffen. Dazu werden die Tröpfchen gezielt mit dem Laser abgeschossen. „Sie explodieren dann regelrecht“, sagt Grübel, „und dies können wir mit einer Hochgeschwindigkeitskamera genau beobachten.“ Zwar gebe es bereits viele Indizien für das Modell mit den zwei Wasserphasen, aber eine direkte Verifikation fehle noch. Der European XFEL soll sie liefern.
Wasser ist Leben
Von höchstem Belang aber ist H2O vor allem für unser Dasein – ohne Wasser kein Leben. Erwachsene bestehen zu etwa 50 bis 65 Prozent aus Wasser. Unter anderem bestimmt es den Flüssigkeitshaushalt im Körper, löst feste Nahrung wie Zucker, Salz und Vitamine und bewahrt den Organismus als Kühlmittel vor Überhitzung. Doch auch in den Körperzellen dürfte es eine zentrale Rolle spielen. „Allerdings wissen wir immer noch nur wenig darüber, welche Funktionen Wasser dort erfüllt“, sagt Henrike Müller-Werkmeister von der Universität Potsdam. „Wir fangen erst an, uns damit zu beschäftigen.“
Unter anderem scheint H2O wichtig zu sein, um den pH-Wert zu regulieren: Bestimmte Eiweiße pumpen Protonen (Wasserstoffkerne) in die Zelle hinein oder aus ihr heraus. Kurze Ketten aus Wassermolekülen dürften dabei als regelrechte Kletterseile fungieren. Auch wenn sich ein Eiweißmolekül nach seiner Entstehung in seine endgültige Form faltet, mischt Wasser kräftig mit, wie Versuche gezeigt haben.
Bislang konnte man solche Prozesse allerdings kaum detailliert untersuchen. Die Proteinkristallographie etwa, bei der starkes Röntgenlicht atomgenau die Struktur von Biomolekülen offenbart, arbeitet mit tiefgefrorenen kristallisierten Proben, da sie der intensiven Strahlung besser widerstehen können. Aber: „Die Dynamik der Wassermoleküle in den Proteinen lässt sich damit nicht erkennen“, erklärt Müller-Werkmeister. „Die Bewegung der Moleküle ist schlicht erstarrt.“
Eine maßgeblich in Hamburg entwickelte Methode schafft nun Abhilfe: Bei der seriellen Femtosekunden-Kristallographie treffen die Röntgenblitze nicht mehr auf einen gefrorenen, großen Proteinkristall, sondern auf einen haarfeinen Strahl aus vielen kleinen Kristallen. Weil jeder von ihnen ohnehin nur einmal vom Röntgenblitz getroffen wird, ist die Kühlung unnötig. Die Experimente können also bei Raumtemperatur laufen, das Wassernetzwerk behält seine realitätsnahe Dynamik.
Eine Überraschung zur Rolle des Wassers hat die neue Methode dem Team von Müller-Werkmeister bereits beschert, als es damit ein Enzym aus einem Bakterium untersuchte. Eine Art molekularer Stummfilm zeigte: Die Informationsübertragung zwischen zwei Untereinheiten des Enzyms läuft nicht wie ursprünglich vermutet durch eine mechanische, quasi zahnradähnliche Wirkung ab, sondern über eine „Telefonschnur“ aus vier Wassermolekülen. „Womöglich ist es ein fundamentales Prinzip, dass solche Wassernetzwerke gewisse Reaktionen von Proteinen regulieren“, vermutet Müller-Werkmeister. „Das wollen wir in Zukunft genauer erforschen, insbesondere auch im Rahmen des neuen Wasserzentrums bei DESY.“
Wasser in der Medizin
Doch es gibt noch weitere Interaktionen zwischen Wasser und Proteinen, die am neuen Zentrum untersucht werden sollen. Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) wollen herausfinden, wie das Wasser, das die Erbsubstanz und andere Biomoleküle umhüllt, deren Funktionen unmittelbar beeinflusst. Sie hoffen, dadurch nicht zuletzt neue Wirkmechanismen für die Medizin zu entdecken.
Eine Arbeitsgruppe von Karim Fahmy, Leiter der Abteilung Biophysik am HZDR, untersucht vor allem Membranproteine, die an den Zelloberflächen sitzen und zum Beispiel Sinneswahrnehmungen und andere Signale übertragen. Wenn Hormone oder andere Wirkstoffe an die Zellrezeptoren andocken, wird dies ans Zellinnere kommuniziert und löst Reaktionen aus. Ob das Andockmanöver jedoch funktioniert, darauf hat das Wasser erheblichen Einfluss: „Es ist über die Wasserstoffbrücken mit den Rezeptoren verbunden, hält diese gewissermaßen frei, stabilisiert das Protein und hilft den Liganden – also den Bindestoffen – beim Positionieren“, erklärt Fahmy. „Andererseits muss der Ligand eine gewisse Energie mitbringen, um das Wasser von der Anlegestelle zu verdrängen.“
Karim Fahmy. Bild: HZDR
Zu wissen, wie viel Energie genau dazu notwendig ist und wie das Wasser im Detail Einfluss nimmt, wäre etwa für die Medikamentenindustrie von großem Vorteil, um neue Arzneien zu entwickeln – zum Beispiel zur Therapie von Krebs. „Man könnte die Andockmanöver an Rezeptoren gezielter verhindern oder fördern – je nachdem, was einem Patienten hilft“, sagt Fahmy.
Diese brisanten Funktionen des Wassers waren auch ausschlaggebend für die Gründung einer neuen Forschungsgruppe im Exzellenzcluster „Physics of Life“ der TU Dresden, die zurzeit von der physikalischen Chemikern Ellen Adams aufgebaut wird. Mit einer neuen Technologie am HZDR, der „Terahertz-Spektroskopie“, untersuchen die Forschenden sogenannte intrinsisch ungeordnete Proteine (IDP) und deren Interaktion mit Wasser. Auf Zeitskalen von wenigen Pikosekunden, die das neue Verfahren ermöglicht, beobachten sie, wie Wasser und einige andere Faktoren diese dynamischen Proteine regelrecht formen und somit ihre Funktion bestimmen. Eine Rolle spielen IDP nicht nur für die Abläufe einer intakten Körperzelle, sondern nachweislich auch bei degenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und ALS. Bedeutet: Wenn wir die Effekte des Wassers auf die IDP entschlüsseln, können wir die Struktur ihrer Produkte womöglich gezielt beeinflussen und so Krankheiten verhindern.
Wasser im All
Andere Wasserfachleute wenden ihre Blicke stattdessen in weite Ferne – ins All. Der Weltraum offenbart eine verblüffende chemische Vielfalt. Bis heute konnten Teleskope mehr als 200 verschiedene Molekülsorten identifizieren, die dort herumschwirren – darunter auch komplexe Verbindungen wie Vorläufer von Aminosäuren. Nur: Wie sind diese im interstellaren Raum entstanden? Im nahezu reinen Vakuum zwischen den Sternen geistern nur sehr wenige potenzielle Reaktionspartner durch die Gegend, die sich selten treffen. Außerdem ist es dort bitterkalt, was chemische Reaktionen erschwert.
Des Rätsels Lösung dürfte mit Wasser zu tun haben: „Wir gehen heute davon aus, dass ein Großteil der Reaktionen dort auf den Oberflächen von Eispartikeln stattfindet“, sagt DESY-Chemikerin Melanie Schnell. Die Idee: Im Laufe der Zeit treffen die Moleküle auf vagabundierende Eiskörnchen und bleiben daran kleben. Dort können sie, angeregt zum Beispiel von UV-Strahlung, mit anderen Molekülen reagieren, die ebenfalls eingefangen wurden. Die Produkte, die dabei entstehen, können dann irgendwann wieder abdampfen.
Melanie Schnell. Bild: DESY
Einige Fachleute spekulieren gar, dass so manche Urbausteine des Lebens entstanden sind. „Mit speziellen Experimenten etwa in einer Vakuumkammer, in der wir die Bedingungen des Weltraums simulieren, versuchen wir herauszufinden, wie sich Moleküle auf solchen Eisteilchen bilden“, berichtet Schnell, die ebenfalls als Koordinatorin des CMWS fungiert. An dem neuen Wasserzentrum sollen solche Versuche durchgeführt werden. „Womöglich bestätigen sie unsere Vermutung, dass Eis im Weltall eine Art interstellarer Katalysator darstellt.“
Wasser zum Trinken
Nicht zuletzt sollen am CMWS auch Technologien weiterentwickelt werden, die unserem grundlegendsten Bedürfnis beim Thema Wasser entgegenkommen: es zu trinken. 2,2 Milliarden Menschen weltweit haben laut UNICEF keinen regelmäßigen Zugang zu sauberem Wasser. Darum wird weltweit an Technologien geforscht, die die Situation verbessern könnten. Ein Hoffnungsträger sind mikroporöse Polymer-Membranen. Mit ihnen lässt sich Wasser selbst von feinst verteilten und gelösten Schadstoffen befreien. Und sie können Meerwasser entsalzen, ohne es dafür auf 100 Grad erhitzen zu müssen.
Solche Membranen untersucht die Abteilung von Volkan Filiz am Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht. Sie funktionieren im Prinzip wie ein Sieb und ein Magnet gleichzeitig: „Wenn wir damit schadstoffbelastetes Wasser filtern, werden Bakterien und Viren aufgrund ihrer Größe zurückgehalten, während das Wasser hindurchschlüpft“, erklärt Filiz. „Zusätzlich können wir die Membran mit quartären Ammoniumverbindungen funktionalisieren, die Schadstoffe wie zum Beispiel Schwermetalle binden. Einige Schwermetalle wie Arsen und Chrom sind in Wasser immer negativ geladen. Darum sorgen wir dafür, dass die Membran positiv geladen ist und diese Schadstoffe durch Wechselwirkungen festhält.“ Für viele Schadstoffe im Wasser sind die richtigen Materialien und Porengrößen bekannt, um sie herauszufiltern. Auch von Öl lässt sich Wasser mit Polymermembranen effektiv befreien, indem man ölabweisende Stoffe verwendet.
Warum schwimmen Eiswürfel oben? Die Dichteanomalie des Wassers
Membranen zur Aufbereitung von Salz- zu Trinkwasser sind nicht porös. Sie sind dicht wie Frischhaltefolie, enthalten aber dennoch nanometerkleine Lücken, durch die die kleinen Wassermoleküle hindurchpassen, Salze hingegen nicht. „Dazu muss man das Wasser allerdings mit viel Druck durch die Membran pressen“, räumt Filz ein. Dennoch sei der Energieaufwand geringer als bei der herkömmlichen Meerwasserentsalzung, für die das Wasser mit Hitze destilliert und der Wasserdampf aufgefangen wird. „Aktuell suchen wir die energieeffizienteste Kombination aus Membran- und Destillierverfahren.“ Diese sogenannte Membran-Destillation funktioniert dann im Prinzip wie eine Gore Tex-Jacke: Sie lässt kein Wasser hindurch, aber den durch Wärme produzierten Wasserdampf.
Ein Hauptgrund, warum sich solche Membranen nicht längst weltweit durchgesetzt haben, ist ihre kurze Haltbarkeit. Wo immer man sie als Wasserfilter einsetzt, bildet sich mit der Zeit ein Biofilm, der sie zersetzt. „Dieses sogenannte Fouling zu reduzieren ist eines unserer wichtigsten Forschungsfelder“, sagt Filiz. Es gelte, die Lebensdauer der Membran zu erhöhen und so die Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Große Hoffnungen liegen hier auf Polydopamin. Das ist das natürliche Klebemittel, mit dem Miesmuscheln unter Wasser bombenfest an Felsen haften. Auf eine Membran aufgetragen wirkt es hydrophil – es wechselwirkt also gern mit Wasser, aber weist Fremdstoffe ab.
Um optimale Filter für verschiedenste Zwecke zu entwickeln, müssen Forschende die Grenzflächeneffekte zwischen den Polymeren und dem Wasser genau verstehen. Dazu braucht es nicht zuletzt Untersuchungen auf atomarer Ebene, wie sie die Großforschungsanlagen der Helmholtz-Gemeinschaft bieten können. Das Wasserzentrum CMWS wird diese Forschung bündeln, Wasserexpertinnen und -experten aus aller Welt anlocken und miteinander vernetzen. „Wasser ist eines der Schlüsselthemen für die Zukunft“, sagt Anders Nilsson. „Das Zentrum wird uns in die Lage versetzen, unser Wissen darüber entscheidend zu vertiefen.“
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