Структурированная вода: что это и что известно науке
Структура у воды есть, и это большая, живая область науки. Молекулы связаны в сетку, у неё измеримая геометрия, и учёные до сих пор спорят о её деталях. Спорны именно детали, а не само существование структуры: это и учебник, и текущие публикации в Science и Nature.
Но эта структура не хранится. Сетка водородных связей полностью перестраивается за единицы пикосекунд — миллионные доли миллионной доли секунды. За один глоток — это примерно секунда — она обновляется около пятисот миллиардов раз.
И самое интересное: структурированная вода действительно существует — вокруг ионов и вокруг молекул ДНК и белков. Только структуру там задаёт не «воздействие», а присутствие: убрать ион — и она исчезнет за пикосекунды.
Что такое структура воды на самом деле
Вода — не набор независимых молекул. Каждая молекула H₂O способна образовать четыре водородные связи: две через свои атомы водорода и две через неподелённые электронные пары кислорода. Отсюда тетраэдрический мотив — базовая геометрия жидкой воды.
Это не метафора, а измеренные величины. Рентгеновская и нейтронная дифракция дают конкретные числа:
| Что измеряют | Значение |
|---|---|
| Соседей в первой координационной сфере | около 4,3–4,7 |
| Водородных связей на молекулу | около 3,5–3,8 |
| Расстояние до ближайшего соседа (первый пик O–O) | около 2,8 Å |
| Второй пик O–O | около 4,5 Å |
| Расстояние, на котором упорядоченность исчезает | примерно 1 нм, то есть 2–3 координационные сферы |
Числа для водородных связей зависят от того, какой геометрический критерий связи выбран, — поэтому в литературе встречаются слегка разные значения. Порядок величины при этом устойчив.
Ключевое здесь — последняя строка таблицы. У воды есть ближний порядок: соседние молекулы расположены не случайно. И нет дальнего порядка: уже через два-три слоя упорядоченность теряется. Дальний порядок появляется только при кристаллизации — во льду.
Сколько живёт эта структура
Водородные связи не статичны: молекулы постоянно меняют партнёров. Причём, как выяснилось, не плавно — переориентация происходит резким угловым скачком с участием сразу нескольких молекул. Этот механизм описан в Science в 2006 году, а прямые измерения выполняются методом двумерной инфракрасной спектроскопии.
| Процесс | Характерное время |
|---|---|
| Мелкие колебания молекулы в своём окружении | около 30 фемтосекунд |
| Крупный угловой скачок — смена партнёра по связи | около 100 фемтосекунд |
| Полное обновление конфигурации сетки | единицы пикосекунд |
| Коллективные перестройки сетки дефектов | десятки пикосекунд |
Пикосекунда — это 10⁻¹² секунды. Переведём это число в привычный масштаб.
Пикосекунда в человеческом масштабе
Выберите привычное действие — и посмотрите, сколько раз за него успевает полностью перестроиться сетка водородных связей
За характерное время полной перестройки сетки взяты 2 пикосекунды — это порядок величины: точное значение зависит от метода измерения. Данные о временах — работы по фемтосекундной и двумерной инфракрасной спектроскопии, опубликованные в Science и Nature Communications.
Где структурированная вода действительно существует
А теперь то, о чём почти не пишут, — хотя это самая интересная часть темы.
Вода вокруг растворённого иона или вокруг крупной биомолекулы действительно структурирована, и это никем не оспаривается. Такая вода называется гидратной оболочкой, её изучают десятилетиями, и для биологии она принципиальна: без упорядоченной воды вокруг спирали ДНК и вокруг белка они попросту не работают.
| Что структурирует воду | На каком расстоянии | Сколько держится |
|---|---|---|
| Растворённый ион | практически только первая оболочка — один слой молекул | пока ион на месте |
| Молекула ДНК, белок, мембрана | несколько слоёв у поверхности | пока молекула на месте |
| «Воздействие» на воду без изменения состава | — | пикосекунды |
Отсюда главный вывод темы — он не про опровержение, а про механику:
Структуру воды задаёт не воздействие, а присутствие. Есть рядом ион или молекула белка — вокруг них порядок. Убрали — порядок исчез за пикосекунды. Вода не запоминает форму, она принимает её заново каждое мгновение по тому, что рядом находится сейчас.
Две формы воды: настоящая нерешённая загадка
Чтобы не создалось впечатления, будто про воду всё понятно, — самая горячая тема сегодняшней физики воды.
У воды около семидесяти аномалий: она расширяется при замерзании, имеет максимум плотности при 4 °C, у неё необычная теплоёмкость. Одна из ведущих гипотез объясняет это тем, что жидкая вода — смесь двух локальных структурных мотивов: более рыхлого, упорядоченного, и более плотного, разупорядоченного.
- Что установлено: существование двух локальных мотивов подтверждается и экспериментом, и расчётами.
- Что остаётся гипотезой: настоящий фазовый переход между двумя жидкостями и «вторая критическая точка» воды. В 2020 году о наблюдении такого перехода сообщили в Science.
- Существенная оговорка: всё это относится к глубоко переохлаждённой воде под высоким давлением — область температур около −70 °C. К стакану на столе прямого отношения не имеет.
Это к вопросу о том, «всё ли учёные знают про воду». Не всё. Но относятся открытые вопросы к глубоко переохлаждённой воде под давлением, а не к воде в стакане.
Что называют «структурированной водой» в продаже
Здесь слово используется в другом значении — как обозначение воды, которую чем-то обработали и которая якобы сохранила приданный ей порядок.
| Утверждение | Что с ним |
|---|---|
| «У воды есть структура» | ✅ Верно, это установленный факт |
| «Структура воды влияет на её свойства» | ✅ Верно, на этом стоит вся физика воды |
| «Структуру можно задать воздействием» | ⚠️ Кратковременно — да; способы разбираем отдельно |
| «Заданная структура сохраняется и после воздействия» | ❌ Не подтверждается: время жизни — пикосекунды |
| «Структурированная вода лучше усваивается и полезнее» | ⚠️ Проверить нечем: качественных исследований на людях нет. Это не опровержение, а отсутствие данных |
Про последнюю строку стоит сказать точно, а не общими словами: на сегодня в базе PubMed нет ни одного систематического обзора и ни одного качественного рандомизированного исследования влияния «структурированной воды» на какой-либо показатель здоровья человека. Отдельные публикации есть, но в изданиях без признанного рецензирования.
Нормируется ли структура воды
Нет. В СанПиН 1.2.3685-21 показатели качества питьевой воды — органолептические, обобщённые, химические, микробиологические, паразитологические и радиологические. Показателей «структура воды», «кластеры» или «память воды» среди них не существует — как и методик их измерения.
Это не значит, что тема запретная. Это значит, что измерить и сравнить «структурированность» покупаемой воды нечем: величины, по которой можно было бы предъявить претензию или подтвердить обещание, просто нет.
Что дальше
- История вопроса — опыт Бенвениста, работы Монтанье, кристаллы Эмото: что было заявлено и как это проверяли: память воды.
- Способы структурирования — заморозка, талая вода, магниты, вихри, шунгит: у каждого есть измеримый эффект, вопрос только какой: как структурируют воду.
- Измеримые показатели воды, у которых есть нормативы и методики: жёсткость, минерализация, pH и ОВП.
С водородными связями постоянно путают ещё одну вещь — водородную воду. Это совсем другое: там речь не о связях между молекулами H₂O, а о растворённом газе H₂, которого в воде помещается около миллиграмма на литр. Разбор — водородная вода: что это и сколько в ней водорода.
Частые вопросы
Смотря в каком значении. В научном — это вода, молекулы которой упорядочены соседним объектом: ионом, молекулой белка или ДНК. Такая вода реально существует и называется гидратной оболочкой. В бытовом и рекламном значении структурированной называют воду, которую чем-то обработали и которая якобы сохранила приданный ей порядок. Это второе значение измерениями не подтверждается.
Единицы пикосекунд, то есть порядка 10⁻¹² секунды. Мелкие колебания молекулы происходят за 30 фемтосекунд, смена партнёра по водородной связи — примерно за 100 фемтосекунд, полное обновление конфигурации сетки — за единицы пикосекунд. За время, пока вы несёте стакан ко рту, структура обновляется больше триллиона раз.
Ближний порядок у воды есть: каждая молекула образует в среднем 3,5–3,8 водородной связи, первый пик расстояний кислород — кислород приходится на 2,8 Å. Но эта упорядоченность исчезает уже через две-три координационные сферы — примерно на расстоянии одного нанометра — и постоянно перестраивается. Устойчивых долгоживущих кластеров определённого размера в жидкой воде не обнаружено.
Да, и она принципиально важна. Вода вокруг молекул ДНК, белков и клеточных мембран упорядочена — без этого биомолекулы не работают. Это направление изучается десятилетиями, обзоры выходят в ведущих химических журналах. Но такая структура держится ровно до тех пор, пока рядом находится сама биомолекула, и «принести» её с выпитой водой невозможно.
Практически только в своей первой оболочке. Долгое время ионы делили на структурообразующие и структуроразрушающие, предполагая влияние на воду далеко вокруг. Измерения фемтосекундной инфракрасной спектроскопией, опубликованные в Science в 2003 году, показали, что за пределами первой гидратной оболочки влияние ионов на структуру водородных связей пренебрежимо мало.
Данных, на которые можно было бы опереться, нет. В базе PubMed отсутствуют систематические обзоры и качественные рандомизированные исследования влияния «структурированной воды» на какой-либо показатель здоровья человека. Отдельные публикации существуют, но в изданиях без признанного рецензирования.
Нет. В СанПиН показатели качества питьевой воды — органолептические, обобщённые, химические, микробиологические, паразитологические и радиологические. Показателей «структура воды», «кластеры» или «память воды» среди них нет, как нет и методик их измерения. Поэтому сравнить «структурированность» двух образцов воды нечем.
Источники
Нормативные документы, публикации ВОЗ и рецензируемые исследования, на которых основаны цифры в этой статье.
- Laage D., Hynes J.T. A Molecular Jump Mechanism of Water Reorientation Science, 2006, т. 311, вып. 5762, с. 832–835. DOI 10.1126/science.1122154 Публикация по DOI Механизм переориентации молекул воды: смена партнёра по водородной связи происходит резким угловым скачком с участием нескольких молекул.
- Fecko C.J., Eaves J.D., Loparo J.J., Tokmakoff A., Geissler P.L. Ultrafast Hydrogen-Bond Dynamics in the Infrared Spectroscopy of Water Science, 2003, т. 301, с. 1698–1702. DOI 10.1126/science.1087251. Метод — двумерная инфракрасная спектроскопия Публикация по DOI Прямое измерение динамики водородных связей методом двумерной инфракрасной спектроскопии — источник временных шкал.
- Offei-Danso A., Morzan U.N., Rodriguez A., Hassanali A., Jelic A. The collective burst mechanism of angular jumps in liquid water Nature Communications, 2023. DOI 10.1038/s41467-023-37069-9. Открытый доступ Полный текст в открытом доступе Уточнённые временные шкалы: около 30 фс для малоамплитудных колебаний, около 100 фс для крупных угловых скачков, десятки пикосекунд для коллективных перестроек сетки.
- Omta A.W., Kropman M.F., Woutersen S., Bakker H.J. Negligible Effect of Ions on the Hydrogen-Bond Structure in Liquid Water Science, 2003, т. 301, с. 347–349. DOI 10.1126/science.1084801 Публикация по DOI Ионы не влияют на структуру водородных связей за пределами своей первой гидратной оболочки — прямое опровержение представления о «дальнем структурирующем действии» солей.
- Laage D., Elsaesser T., Hynes J.T. Water Dynamics in the Hydration Shells of Biomolecules Chemical Reviews, 2017, т. 117, № 16, с. 10694–10725. DOI 10.1021/acs.chemrev.6b00765. Обзор Публикация по DOI Обзор по динамике воды в гидратных оболочках ДНК, белков и фосфолипидов — настоящая «структурированная вода» и её временные шкалы.
- Cipcigan F., Sokhan V., Martyna G., Crain J. Structure and hydrogen bonding at the limits of liquid water stability Scientific Reports, 2018. DOI 10.1038/s41598-017-18975-7. Открытый доступ Полный текст в открытом доступе Данные о ближнем порядке и об асимметрии мотивов водородных связей: вода не является идеальным тетраэдром.
- Kim K.H. и соавт. Experimental observation of the liquid-liquid transition in bulk supercooled water under pressure Science, 2020. DOI 10.1126/science.abb9385 Публикация по DOI Двухструктурная модель и вторая критическая точка: сообщение о наблюдении перехода в глубоко переохлаждённой воде под давлением. Область температур около −70 °C, к обычной воде прямого отношения не имеет.
- СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» Главный государственный санитарный врач РФ, постановление от 28.01.2021 № 2. Раздел III — нормативы качества и безопасности воды Официальный интернет-портал правовой информации Проверено: показателей «структура воды», «кластеры» и «память воды» в перечне нормируемых нет.
Комментарии