Kohärentes Wasser: Was die Forschung wirklich misst

Wer nach kohärentem Wasser fragt, fragt eigentlich nach Ordnung im Wasser, und die hat die Forschung ziemlich genau vermessen. Flüssiges Wasser ist ein Netz aus Wasserstoffbrücken, das sich ständig umbaut. Nach der schnellsten dazu veröffentlichten Messung aus dem Jahr 2005 vergisst es seine eigene Struktur innerhalb von 50 Femtosekunden, also in 0,00000000000005 Sekunden. Länger hält sich Ordnung dort, wo eine Oberfläche sie vorgibt. An Proteinen sind das im Kern 1 bis 2 Moleküllagen. An bestimmten Gelen haben Forscher Zonen in der Größenordnung von 100 Mikrometern beobachtet, und mehrere Arbeitsgruppen haben das unabhängig wiederholt. Wie diese Zonen entstehen, diskutiert die Physik noch: Gerald Pollack sieht darin eine eigene Phase des Wassers, die jüngste Übersichtsarbeit von 2020 hält eine Erklärung über Diffusiophorese für überzeugender.

Was Kohärenz in der Physik überhaupt bedeutet

Kohärenz heißt in der Physik, dass Schwingungen einen festen Takt zueinander halten, über eine bestimmte Zeit und über eine bestimmte Strecke. Man spricht dann von Kohärenzzeit und Kohärenzlänge. Eigentlich sind das zwei Blicke auf dieselbe Sache, denn beide hängen über die Lichtgeschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde zusammen. Bei einem Laser reichen sie je nach Bauart von Zentimetern bis zu mehreren Kilometern. Deshalb erzeugt Laserlicht ein Interferenzmuster, das über weite Strecken stabil bleibt.

Wie unterschiedlich weit Kohärenz reicht, zeigt ein Vergleich in Größenordnungen:

System	Kohärenzzeit	Kohärenzlänge
Stabilisierter Laser	Mikrosekunden	mehrere Kilometer
Helium-Neon-Laser	rund 1 Nanosekunde	20 bis 30 Zentimeter
Licht einer Glühlampe	wenige Femtosekunden	unter 1 Mikrometer
Struktur in flüssigem Wasser	50 Femtosekunden	wenige Moleküldurchmesser

Für Wasser lautet die Frage also ganz handfest: Wie lange und über welche Strecke behalten Wassermoleküle einen festen Bezug zueinander? Eine Femtosekunde sind 0,000000000000001 Sekunden. Genau das lässt sich messen, und es ist gemessen worden.

Im Alltag meint man mit „kohärentem Wasser“ meist eins von zwei Dingen, und die hält man am besten auseinander:

• Die Struktur des Wasserstoffbrückennetzes. Ein Forschungsfeld, das Physiker seit Jahrzehnten mit Spektroskopie untersuchen.
• Sogenannte Kohärenzdomänen. Ein theoretisches Modell aus der Quantenfeldtheorie, das Emilio Del Giudice und Giuliano Preparata vorgeschlagen haben.

Ein paar Zahlen helfen beim Maßstab. Der menschliche Körper besteht zu etwa 60 Prozent aus Wasser, und ein einziger Milliliter enthält rund 33 Trilliarden Wassermoleküle. Bei 20 Grad Celsius sorgt schon die Wärmebewegung dafür, dass jedes davon laufend neue Nachbarn findet.

Beide Bedeutungen tragen dasselbe Wort und kommen doch aus verschiedenen Ecken: die eine aus der Spektroskopie im Labor, die andere aus der theoretischen Physik. Wer etwas über kohärentes Wasser liest, schaut deshalb am besten zuerst, welche der beiden gemeint ist.

Wie lange eine Struktur im flüssigen Wasser Bestand hat

Ein Wasserstoffbrückennetz, das sind die vielen schwachen Bindungen, mit denen sich Wassermoleküle über ihre Wasserstoffatome gegenseitig festhalten. Starr ist dieses Netz nie. Bindungen brechen und bilden sich laufend neu, und spannend ist deshalb, wie lange eine Anordnung überhaupt erhalten bleibt.

Michael L. Cowan und seine Arbeitsgruppe haben das 2005 mit mehrdimensionaler Infrarot-Spektroskopie an ganz gewöhnlichem Wasser herausgefunden. Dafür bauten sie eine besonders dünne Messzelle, und die Netzdynamik lief darin um mehr als das 10-Fache schneller als in früheren Studien. Im Abstract fassen die Autoren ihr Ergebnis selbst zusammen:

„liquid water essentially loses the memory of persistent correlations in its structure within 50 fs.“

Sinngemäß: Flüssiges Wasser verliert die Erinnerung an dauerhafte Zusammenhänge in seiner Struktur im Wesentlichen innerhalb von 50 Femtosekunden. — Cowan, M. L. et al., Ultrafast memory loss and energy redistribution in the hydrogen bond network of liquid H2O, Nature 434, 199–202 (2005), PubMed 15758995

Diese Zahl ist so etwas wie der Maßstab für das ganze Thema. Zum Vergleich ein paar Zeitspannen nebeneinander:

Vorgang	Größenordnung
Strukturgedächtnis von flüssigem Wasser	50 Femtosekunden
Lebensdauer einer einzelnen Wasserstoffbrücke	rund 1 Pikosekunde
Umorientierung eines Wassermoleküls	rund 2 Pikosekunden, also etwa 40-mal länger
Ein einzelner Herzschlag	rund 0,8 Sekunden

Zwischen dem Strukturgedächtnis des Wassers und einem Herzschlag liegen rund 13 Größenordnungen. Im freien Wasser wechselt die Ordnung also unvorstellbar schnell, und wer nach Ordnung sucht, die länger hält, schaut deshalb auf die Oberflächen.

Wie weit gelöste Stoffe das Wassernetz umbauen

Nach einer älteren Lehrmeinung gibt es sogenannte Strukturbildner. Gemeint sind gelöste Stoffe, die das Wasserstoffbrückennetz weit über ihre direkte Nachbarschaft hinaus ordnen oder aufbrechen. Die Idee kam von Eigenschaften, die man im Großen beobachten kann: Salzlösungen sind zäher als reines Wasser, also müsse das Salz das ganze Netz umbauen, so der Schluss.

Die Amsterdamer Arbeitsgruppe um Huib J. Bakker hat das 2003 direkt überprüft. Mit Femtosekunden-Spektroskopie bestimmten die Forscher in drei Salzlösungen die Orientierungs-Korrelationszeit, also wie lange ein Wassermolekül braucht, um sich neu auszurichten. Das Ergebnis war eindeutig:

„The addition of ions had no influence on the rotational dynamics of water molecules outside the first solvation shells of the ions.“

Sinngemäß: Die Zugabe von Ionen hatte keinen Einfluss auf die Rotationsdynamik der Wassermoleküle außerhalb der ersten Hydrathülle. — Omta, A. W., Kropman, M. F., Woutersen, S., Bakker, H. J., Negligible effect of ions on the hydrogen-bond structure in liquid water, Science 301, 347–349 (2003), PubMed 12869755

Der Einfluss endet also nach der ersten Molekülschicht rund um das Ion. Wie weit er an großen Biomolekülen reicht und wie schnell er dort abläuft, haben Damien Laage, Thomas Elsaesser und James T. Hynes 2017 in einer Übersichtsarbeit zusammengetragen. In der Hydrathülle laufen Vorgänge von Femtosekunden bis in den Mikrosekundenbereich, räumlich bleibt das Ganze aber im Wesentlichen auf die ersten Schichten begrenzt (Chem Rev 117, 10694–10725, 2017). Was das im Inneren einer Zelle bedeutet, erzählt der Beitrag zelluläre Hydration genauer.

Was die Hypothese der Kohärenzdomänen beschreibt

Eine Kohärenzdomäne ist in dieser Hypothese ein Bereich von rund 100 Nanometern Durchmesser. Darin sollen Wassermoleküle gemeinsam mit dem elektromagnetischen Feld schwingen und so einen dauerhaft geordneten Zustand bilden. Entwickelt haben die Idee die italienischen Physiker Emilio Del Giudice und Giuliano Preparata ab den späten 1980er-Jahren, im Rahmen der kohärenten Quantenelektrodynamik.

Wie sie ihr Modell selbst beschreiben, zeigt eine Arbeit aus dem Jahr 2002:

„water molecules in the liquid and solute ions are involved in their ground state in coherent ordered configurations“ und Ionen könnten sich „in the interstices between water coherence domains“ stoßfrei bewegen.

Sinngemäß: Wassermoleküle und gelöste Ionen befänden sich in ihrem Grundzustand in kohärent geordneten Anordnungen, und Ionen bewegten sich in den Zwischenräumen zwischen den Kohärenzdomänen. — Del Giudice, E., Fleischmann, M., Preparata, G., Talpo, G., On the „unreasonable“ effects of ELF magnetic fields upon a system of ions, Bioelectromagnetics 23, 522–530 (2002), PubMed 12224056

Hergeleitet ist das Modell aus der Theorie. Es beschreibt eine Ordnung, die viel länger halten soll als die 50 Femtosekunden aus Cowans Messung am freien Wasser. Wie beides zusammenpasst, gehört zu den Fragen, über die in der Physik des Wassers bis heute gesprochen wird.

Ausschlusszone: was gemessen ist und wie Forscher sie erklären

Eine Ausschlusszone ist ein Streifen direkt neben einer wasserliebenden Oberfläche, aus dem gelöste Teilchen und eingebrachte Mikrokügelchen verdrängt werden. Jian-ming Zheng und Gerald H. Pollack haben das 2003 an Polymer-Gelen beobachtet. Die Kügelchen hielten Abstand, und zwar über eine Zone in der Größenordnung von 100 Mikrometern. Das ist ein Vielfaches dessen, was die herkömmliche Theorie erwarten ließ (Long-range forces extending from polymer-gel surfaces, Physical Review E 68, 031408, 2003, DOI 10.1103/PhysRevE.68.031408).

Sechs Jahre später zeigte dieselbe Gruppe, dass eingestrahltes Licht die Zone wachsen lässt, umkehrbar und je nach Wellenlänge verschieden stark (J Phys Chem B 113, 13953–13958, 2009). Pollack deutet die Zone seither als vierte Phase des Wassers mit einer eigenen, geordneten Struktur.

Daniel C. Elton und Kollegen haben 2020 in einer Übersichtsarbeit die Experimente und die verschiedenen Erklärungen nebeneinandergelegt. Zum Kern der Sache schreiben sie:

„Schurr's theory based on diffusiophoresis presents a compelling alternative explanation for the core EZ phenomenon.“

Sinngemäß: Schurrs auf Diffusiophorese gestützte Theorie stellt eine überzeugende Alternativerklärung für das Kernphänomen der Ausschlusszone dar. — Elton, D. C., Spencer, P. D., Riches, J. D., Williams, E. D., Exclusion Zone Phenomena in Water, International Journal of Molecular Sciences 21, 5041 (2020), PMC7404113

Dass es die Zone gibt, haben mehrere Gruppen unabhängig bestätigt. Für ihre Entstehung liegen damit zwei Vorschläge auf dem Tisch. Pollack sieht eine vierte Phase des Wassers, und nach Schurr wandern gelöste Teilchen entlang eines Konzentrationsgefälles, mit der Physik, die man aus der Kolloidchemie kennt.

Vom Labor zum menschlichen Körper: woran gemessen wurde

Wie lässt sich das alles auf den Körper übertragen? Das hängt davon ab, woran und wie gemessen wurde, und das kann man für jeden Befund genau sagen:

1. Der Ort. Ausschlusszonen wurden an definierten künstlichen Oberflächen im Labor gemessen, an Nafion-Membranen und Polymer-Gelen.
2. Die Zeit. Die 50 Femtosekunden Strukturgedächtnis gelten für freies Wasser. Biologische Vorgänge laufen im Sekundenbereich, rund 13 Größenordnungen darüber.
3. Der Körper. Dort beschreibt die Biophysik geordnetes Wasser vor allem in den Hydrathüllen von Proteinen und anderen Biomolekülen, so wie Laage und Kollegen sie zusammengetragen haben.

Ordnung im Wasser ist ein richtig spannendes Stück Physik, mit echten, von mehreren Gruppen wiederholten Befunden. Und die Forschung daran geht weiter, an Grenzflächen, in Zellen und mit immer schnelleren Messmethoden.

Wie du eine Aussage über kohärentes Wasser selbst prüfst

Eine Aussage lässt sich prüfen, wenn sie eine Quelle, eine Messgröße und eine Größenordnung nennt. Mit diesen Fragen sortierst du das Feld selbst:

Frage	Was eine belastbare Antwort enthält
Über welche Zeitspanne?	Eine Zahl mit Einheit, etwa Femtosekunden oder Sekunden
Über welche Strecke?	Nanometer, Mikrometer oder Zentimeter
Wer hat das gemessen?	Autor, Journal, Jahr; nachschlagbar über PubMed oder einen DOI
Wurde es unabhängig wiederholt?	Mindestens eine Arbeitsgruppe ohne Beteiligung der Erstautoren

Die 50 Femtosekunden von Cowan beantworten jede dieser Fragen. Bei der Ausschlusszone gilt das genauso für die Beobachtung selbst, die mehrere Gruppen wiederholt haben, und über ihre Erklärung sprechen die Forscher weiter.

Was wir bei Qi Blanco an Studien zusammengetragen haben, steht offen unter Studien. Du kannst es mit genau diesen Fragen lesen.

Häufige Fragen zu kohärentem Wasser

Ist kohärentes Wasser wissenschaftlich anerkannt?

Fest verankert in der Fachliteratur sind die Struktur und die Dynamik des Wasserstoffbrückennetzes und die geordneten Hydratschichten an Oberflächen, beides vielfach gemessen. Das Wort „kohärentes Wasser“ selbst stammt aus dem Modell der Kohärenzdomänen von Del Giudice und Preparata. Das ist ein theoretischer Ansatz, über den die Physik weiter diskutiert.

Wie lange hält eine geordnete Struktur im Wasser?

Im freien Wasser sind die Korrelationen nach rund 50 Femtosekunden verschwunden. An einer Oberfläche kann eine geordnete Schicht dagegen so lange bestehen, wie die Oberfläche da ist. Die Ordnung hängt dann an der Grenzfläche.

Gibt es die Ausschlusszone wirklich?

Ja, mehrere Gruppen haben das Phänomen unabhängig wiederholt. Diskutiert wird seine Erklärung: Die Übersichtsarbeit von Elton und Kollegen aus dem Jahr 2020 hält die Deutung über Diffusiophorese für überzeugender als die Annahme einer vierten Phase des Wassers.

Wirkt kohärentes Wasser im Körper?

Gemessen ist Ordnung im Wasser bisher im Labor, in Salzlösungen, an Proteinen, an Polymer-Gelen und an Nafion-Membranen. Im Körper beschreibt die Biophysik geordnetes Wasser vor allem in den Hydrathüllen um Proteine, die im Kern 1 bis 2 Moleküllagen umfassen. Wie das in der Zelle aussieht, erklärt der Beitrag über zelluläre Hydration.

Woran erkenne ich eine gute Quelle zu kohärentem Wasser?

Am einfachsten an den Größenordnungen. Eine gute Quelle nennt die Zeitspanne, die Reichweite und eine Arbeit, die du nachschlagen kannst, etwa über PubMed oder einen DOI. Stehen diese Angaben da, siehst du selbst, was genau untersucht wurde.

Kernaussagen auf einen Blick

• Flüssiges Wasser vergisst seine eigene Struktur innerhalb von 50 Femtosekunden. Das ist der am direktesten gemessene Wert dazu, wie lange Ordnung im Wasser hält (Cowan et al., Nature 2005).
• Gelöste Ionen ordnen das Wassernetz bis zur ersten Hydrathülle. Dahinter blieb die Bewegung der Wassermoleküle in der Messung unverändert (Omta et al., Science 2003).
• Geordnetes Wasser gibt es an Oberflächen. An Proteinen umfasst es im Kern 1 bis 2 Moleküllagen, an Polymer-Gelen wurden Ausschlusszonen von rund 100 Mikrometern beobachtet.
• Die Ausschlusszone haben mehrere Gruppen unabhängig beobachtet. Für ihre Entstehung hält die Übersichtsarbeit von 2020 eine Erklärung über Diffusiophorese für überzeugender als eine vierte Phase des Wassers.
• Kohärenzdomänen sind ein theoretisches Modell von Del Giudice und Preparata aus der kohärenten Quantenelektrodynamik. Es beschreibt Ordnung über weit längere Zeiten als die gemessenen 50 Femtosekunden.
• Gemessen ist geordnetes Wasser an Laboroberflächen wie Nafion und Polymer-Gelen. Im Körper beschreibt die Biophysik es in den Hydrathüllen der Biomoleküle.

Quellen und weiterführende Literatur

Alle Belege sind an der jeweiligen Stelle im Text verlinkt. Vollständige Angaben:

• Cowan, M. L., Bruner, B. D., Huse, N. et al.: Ultrafast memory loss and energy redistribution in the hydrogen bond network of liquid H2O. Nature 434, 199–202 (2005). DOI 10.1038/nature03383.
• Omta, A. W., Kropman, M. F., Woutersen, S., Bakker, H. J.: Negligible effect of ions on the hydrogen-bond structure in liquid water. Science 301, 347–349 (2003). DOI 10.1126/science.1084801.
• Laage, D., Elsaesser, T., Hynes, J. T.: Water Dynamics in the Hydration Shells of Biomolecules. Chemical Reviews 117, 10694–10725 (2017). DOI 10.1021/acs.chemrev.6b00765.
• Del Giudice, E., Fleischmann, M., Preparata, G., Talpo, G.: On the „unreasonable“ effects of ELF magnetic fields upon a system of ions. Bioelectromagnetics 23, 522–530 (2002). DOI 10.1002/bem.10046.
• Zheng, J. M., Pollack, G. H.: Long-range forces extending from polymer-gel surfaces. Physical Review E 68, 031408 (2003). DOI 10.1103/PhysRevE.68.031408. PMID 14524770.
• Chai, B., Yoo, H., Pollack, G. H.: Effect of radiant energy on near-surface water. Journal of Physical Chemistry B 113, 13953–13958 (2009). DOI 10.1021/jp908163w.
• Elton, D. C., Spencer, P. D., Riches, J. D., Williams, E. D.: Exclusion Zone Phenomena in Water – A Critical Review of Experimental Findings and Theories. International Journal of Molecular Sciences 21, 5041 (2020). DOI 10.3390/ijms21145041.