Das Mysterium des Wassers

Sozialverhalten von H2O

Wasser ist von zentraler Bedeutung für das Leben. Albert Szent-Györgyi, der Vater moderner Biochemie und Nobelpreisträger, meinte dementsprechend einst: „Leben ist Wasser, das zur Melodie der Feststoffe tanzt.“ Ohne diesen Tanz gäbe es kein Leben.

Geht man von seiner zentralen Bedeutung aus, könnte man annehmen, dass wir dem Wasser bereits alle Geheimnisse entlockt hätten. Tatsächlich wissen wir im 21. Jahrhundert allerdings nur sehr wenig über die vertraute und allgegenwärtige Substanz.

Ich möchte auf eine Aussage von Dr. Philip Ball verweisen, einem der führenden wissenschaftlichen Autoren unserer Zeit. Er verfasste das Buch „H2O: A Biography of Water“ und ist langjähriger wissenschaftlicher Berater der Fachzeitschrift Nature. Dr. Ball formulierte es wie folgt:

„Niemand versteht Wasser wirklich. Es ist beschämend einzugestehen, doch der Stoff, der zwei Drittel unseres Planeten bedeckt, stellt immer noch ein Mysterium dar. Schlimmer noch, mit jeder genaueren Betrachtung häufen sich die Probleme: Neue Techniken, die tiefer in die molekulare Architektur flüssigen Wassers blicken lassen, werfen immer mehr Fragen auf.“¹

Das Wassermolekül selbst ist gut erforscht. Gay-Lussac und von Humboldt beschrieben seinen wesentlichen Aufbau vor über zwei Jahrhunderten. Heute kennen wir die genauen Details seiner Architektur. Im Wesentlichen besteht es aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, in einer Anordnung, die aus Lehrbüchern bekannt ist.

Wir wissen immer noch zu wenig über die Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen bzw. ihrem Verhalten gegenüber andersartigen Molekülen. Laien stellen sich nur selten Fragen dieser Art. Den meisten genügt es zu wissen, dass sich Wassermoleküle irgendwie mit anderen Wassermolekülen verknüpfen. Das ist alles. Biologen betrachten Wasser beispielsweise als das gewaltige molekulare Meer, das die wichtigen Moleküle des Lebens badet.

Wir stellen uns Wassermoleküle nicht als stark interagierend vor, ob nun untereinander oder mit anderen Molekülen. Wassermoleküle sind jedoch gezwungen zu interagieren. In einem einfachen Wassertropfen müssen zumindest einige der zig Millionen Moleküle aneinander haften, denn ohne Kohäsion könnte sich kein Tropfen formen.

Diese kohäsiven Wechselwirkungen können nicht statisch sein. Sie müssen sich verändern, wenn sich zwei Tropfen verbinden oder sich ein Tropfen auf einer Oberfläche verteilt. Selbst der simple Wassertropfen kann nicht ohne Verständnis von Wasser bzw. den Interaktionsmöglichkeiten von Wasser erklärt werden. Es stellt sich demnach folgende Frage: Was ist die Grundlage dieser Interaktionen?

Abb. 1: Was verhindert den Austritt des Wassers aus dem Gelee?

Rätselhaftes aus dem Alltag

Im Folgenden 15 alltägliche Beobachtungen. Wie lautet Ihre Erklärung? [Anm. d. Red.: Zur Diskussion der Fragen sei auf das Buch „The Fourth Phase of Water“ von Dr. Gerald H. Pollack verwiesen, siehe Artikelende.]

• Nasser & trockener Sand. Geht man über einen trockenen Sandstrand, sinken die Füße meist tief ein. Befindet man sich jedoch näher am Wasser und geht über den nassen Sand, sinkt man kaum ein. Nasser Sand ist fest genug, um ihn zum Bau von Sandburgen oder größeren Sandskulpturen zu verwenden. Wasser dient dabei offenkundig als Klebstoff.

Wie lässt Wasser die Sandpartikel so fest aneinander haften?

• Meereswellen. Wellen lösen sich gewöhnlich nach dem Zurücklegen einer relativ kurzen Distanz auf. Ein Tsunami kann die Erde allerdings einige Male umrunden, bevor er sich letztendlich auflöst.

Warum können solche Wellen derart immense Distanzen zurücklegen?

• Gelee. Gelee in seiner Form als Süßspeise besteht hauptsächlich aus Wasser. Aufgrund dieser Tatsache könnte man einen hohen Austritt von Flüssigkeit erwarten (Abb. 2). Doch selbst bei Gelees, die einen Wasseranteil von 99,95 Prozent aufweisen², tröpfelt nichts.

Warum läuft kein Wasser aus derartigen Substanzen?

• Windeln. Ähnlich wie Gelee können moderne Windeln viel Flüssigkeit binden. Sie halten 50 mal mehr an Urin und 800 mal mehr an reinem Wasser als ihr Eigengewicht.

Wie können derartige Wassermengen gebunden werden?

• Eisglätte. Aufgrund der Reibung gleiten feste Materialien gewöhnlich nicht besonders gut aneinander. Denken wir an unsere Schuhsohlen auf einer Straße. Ist die Straße jedoch vereist, gestaltet sich der Weg womöglich schwieriger.

Warum verhält sich Eis so anders als die meisten Festkörper?

• Schwellungen. Jemand bricht sich den Knöchel, der daraufhin innerhalb einiger Minuten auf das doppelte seiner Größe anschwillt.

Warum strömt das Wasser so schnell in den verletzen Bereich?

• Gefrierendes Wasser. Ein Mittelschüler bemerkte einst etwas Merkwürdiges. Sein selbstgemachtes, auf einer Pulvermischung basierendes Speiseeis war schneller zubereitet, wenn er warmes anstatt kaltem Wasser beimengte. Die paradoxe Beobachtung wurde weltbekannt.

Wie kann es sein, dass warmes Wasser schneller gefriert als kaltes?

• Aufsteigendes Wasser. Blätter sind durstig. Um die in Pflanzen und Bäumen durch Verdunstung verlorene Flüssigkeit zu ersetzen, fließt Wasser in feinen Röhrchen (Kapillaren) von den Wurzeln bis hinauf in die Spitzen der Gewächse. Die gewöhnlich für diesen Vorgang angebotene Erklärung ist, dass die oberen Abschnitte der Röhrchen eine Zugwirkung auf das darunterliegende Wasser ausüben. In 100 Meter hohen Mammutbäumen ist diese Erklärung allerdings unzureichend, da das Gewicht des angesammelten Wassers in jeder Kapillare ausreichen würde, um sie zerbersten zu lassen. Es könnte kein Wasser mehr aus den Wurzeln gefördert werden, der Baum würde sterben.

Wie umgeht die Natur diese Problematik?

• Berstender Beton. Betonierte Flächen können durch empordringende Baumwurzeln durchbrochen werden. [Anm. d. Übers.: Selbst zarte Gewächse, beispielsweise der Gewöhnliche Löwenzahn, können asphaltierte Flächen aufbrechen.]