زومیت: آب یکی از آشناترین اما درعینحال اسرارآمیزترین مواد روی زمین است. تقریباً همه ما تصور میکنیم آب مایعی ساده با فرمول شیمیایی H₂O است، اما دانشمندان از دههها پیش به این نتیجه رسیده بودند که رفتار آب آنقدر غیرعادی است که شاید این تصور کاملاً درست نباشد. اکنون پژوهشگران توانستهاند برای نخستین بار شواهدی در سطح مولکولی پیدا کنند که از فرضیهای قدیمی پشتیبانی میکند: آب ممکن است بهطور مداوم بین دو نوع ساختار مایع متفاوت جابهجا شود. در نگاه اول، آب رفتاری کاملاً عادی دارد؛ اما از دیدگاه فیزیک و شیمی، این ماده مجموعهای از ویژگیهای غیرمنتظره را از خود نشان میدهد که بسیاری از آنها با رفتار سایر مایعات سازگار نیست. برای مثال، تقریباً تمام مایعات هنگام سردشدن به تدریج منقبض و متراکمتر میشوند. اما آب تا دمای ۴ درجه سانتیگراد چگالتر میشود و پس از آن، با سردتر شدن دوباره منبسط میشود. به همین دلیل، یخ از آب مایع سبکتر است و روی سطح آن شناور میماند. اگر این ویژگی وجود نداشت، دریاچهها و رودخانهها از کف یخ میزدند و حیات بسیاری از موجودات آبزی با خطر جدی روبهرو میشد. آب همچنین گرمای زیادی را در خود ذخیره میکند، در برابر تغییر دما مقاومت بیشتری نسبت به بسیاری از مایعات مشابه دارد و رفتار گرانروی (ویسکوزیته) آن نیز در برخی فشارها برخلاف انتظار تغییر میکند. دانشمندان تاکنون دهها ویژگی غیرعادی دیگر نیز برای آب شناسایی کردهاند و سالهاست این پرسش را مطرح میکنند که آیا تمام این رفتارهای عجیب علت مشترکی دارند؟ یکی از مهمترین توضیحهای ارائهشده، فرضیه دوحالتی است که بیان میدارد آب در مقیاس مولکولی همیشه ساختار ثابتی ندارد، بلکه مولکولهای آن بهطور مداوم میان دو آرایش متفاوت جابهجا میشوند. در یک حالت، مولکولها به شکل فشردهتر کنار هم قرار میگیرند و آب چگالی بیشتری دارد. در حالت دیگر، فاصله میان مولکولها اندکی بیشتر است و ساختاری بازتر با چگالی کمتر تشکیل میشود. پژوهش جدید با کمک هوش مصنوعی، از فرضیه دوحالتی بودن آب شتیبانی میکند: یکی از ساختارها چگالتر و دیگری کمچگالتر است و بهطور مداوم تبدیل میشوند نکته مهم این است که منظور از «دو مایع» این نیست که درون لیوان آب، دو لایه جداگانه وجود دارد. این دو حالت در مقیاس مولکولی و در کسری از ثانیه به طور پیوسته به یکدیگر تبدیل میشوند و چشم انسان هرگز آنها را به صورت دو مایع مستقل مشاهده نمیکند. با وجود جذاببودن فرضیه دو حالتی، اثبات آن بسیار دشوار بوده است؛ زیرا تغییر آرایش مولکولهای آب در زمانی فوقالعاده کوتاه و در مقیاسی بسیار کوچک رخ میدهد. بهگزارش لایوساینس، شیائو چنگ زنگ، شیمیفیزیکدان دانشگاه سیتی هنگکنگ که سالها درباره آب تحقیق کرده بود، بررسی مستقیم فرضیه دو حالتی را بسیار پیچیده میدانست. او حدود دو سال و نیم پیش، پروژه تحقیقاتی خود را به لیون لی، پژوهشگر پسادکتری گروهش سپرد. لی پیشنهاد داد به جای روشهای سنتی، از یادگیری عمیق بدون نظارت استفاده شود. برخلاف بسیاری از سامانههای هوش مصنوعی که با پاسخهای از پیش برچسبگذاریشده آموزش میبینند، این نوع هوش مصنوعی پاسخ آمادهای دریافت نمیکند و خودش باید الگوهای پنهان موجود در دادهها را کشف کند. پژوهشگران با استفاده از نرمافزار شبیهسازی GROMACS حرکت و برهمکنش صدها هزار مولکول آب را مدلسازی کردند. این شبیهسازیها دهها میلیون نقطه داده تولید کرد که تحلیل آنها با روشهای معمول تقریباً غیرممکن بود. کاری که شاید در گذشته به سالها زمان و گروه بزرگی از دانشجویان نیاز داشت، با کمک هوش مصنوعی در حدود یک سال و نیم انجام شد. زنگ برآورد میکند که بدون هوش مصنوعی، همین تحلیل ممکن بود نزدیک به یک دهه طول بکشد. پس از تحلیل دادهها، هوش مصنوعی مجموعهای از متغیرهای کلیدی را استخراج کرد که پژوهشگران آنها را مختصات واکنش مینامند. به زبان ساده، این متغیرها مانند نقشه عمل میکنند و نشان میدهند مولکولهای آب دقیقاً چگونه از ساختار متراکم به ساختار بازتر تغییر شکل میدهند و دوباره به حالت اول بازمیگردند. پژوهشگران همچنین دریافتند تغییر ساختار مولکولهای آب همیشه از یک مسیر انجام نمیشود. در بیشتر شرایط، تبدیل میان دو ساختار، مسیری نسبتاً مستقیم را میپیماید که پژوهشگران آن را نیمحلقه نامیدهاند. در این حالت، مولکولها فقط باید از یک سد انرژی عبور کنند؛ اما هنگامی که آب به شرایطی نزدیک میشود که دو ساختار تقریباً پایدار هستند، یعنی شرایط مشابه مرز میان آب مایع و یخ در حوالی صفر درجه سانتیگراد، مسیر دیگری نیز ظاهر میشود. در این حالت، مولکولها میتوانند از مسیر پیچیدهتری به نام حلقه کامل عبور کنند که شامل سه سد انرژی است. اما آیا این فرضیه اکنون اثبات شده است؟ هنوز نه. گرچه پژوهش اخیر قویترین شواهد محاسباتی را تاکنون ارائه کرده است، دانشمندان تأکید میکنند که برای اثبات نهایی باید این نتایج با آزمایشهای مستقیم و بسیار حساس نیز تأیید شوند. پژوهشگران اکنون درحال ابداع مدلهای پیشرفتهتر یادگیری ماشین هستند و امیدوارند بتوانند این یافتهها را با اندازهگیریهای آزمایشگاهی مقایسه کنند. شاید تصور شود پژوهش جدید فقط یک موضوع نظری در فیزیک یا شیمی است، اما در واقع پیامدهای گستردهای دارد. تقریباً تمام واکنشهای زیستی بدن انسان در محیط آبی انجام میشوند. پروتئینها، DNA، نمکها، یونها و مولکولهای دارویی همگی با آب برهمکنش دارند. اگر ساختار واقعی آب با آنچه تاکنون تصور میکردیم تفاوت داشته باشد، درک ما از بسیاری از فرایندهای زیستی نیز دقیقتر خواهد شد. برای مثال، چنین دانشی میتواند در آینده به طراحی بهتر داروهای تزریقی، شناخت دقیقتر عملکرد سلولها، بهبود مدلهای شیمیایی و حتی ساخت مواد جدید کمک کند.
انتخاب
انتخابانتخاب