Die vierte Phase deines Körperwassers: was daran gemessen ist

Die vierte Phase deines Körperwassers ist ein Begriff aus der Grenzflächenforschung, und es gibt dazu handfeste Messwerte, aus dem Labor und aus lebenden Zellen. An wasserliebenden Oberflächen bildet sich im Laborversuch eine Zone von typischerweise mehreren hundert Mikrometern Breite, aus der gelöste Stoffe verdrängt werden. Das ist rund 5-mal so breit wie ein menschliches Haar mit 70 Mikrometern. In lebenden Zellen verhalten sich etwa 85 % des Wassers wie gewöhnliches Wasser. Die übrigen 15 % liegen direkt an Biomolekül-Oberflächen und bewegen sich dort um den Faktor 15 langsamer, mit einer Rotationszeit von 27 Pikosekunden. Bis zu 60 % eines erwachsenen Körpers bestehen aus Wasser, und spannend ist eben vor allem der Anteil, der an solchen Oberflächen liegt. Ob die Zone eine eigene Phase ist oder ein Transportvorgang an der Grenzfläche, diskutiert die Forschung seit über 20 Jahren. Untersucht ist das bisher an Oberflächen im Labor und an Bakterienzellen.

Was die vierte Phase des Wassers ist

Als vierte Phase des Wassers bezeichnet Gerald Pollack, Professor für Bioingenieurwesen an der University of Washington, eine geordnete, gel-artige Wasserschicht direkt an wasserliebenden Oberflächen. Mit dem Namen stellt er sie neben die drei bekannten Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig.

Für den Vorgang selbst gibt es einen schlichteren Namen: Ausschlusszone, englisch exclusion zone, kurz EZ. Man gibt winzige Kunststoffkügelchen oder einen Farbstoff ins Wasser und sieht zu, wie sie aus einem Bereich nahe der Oberfläche verschwinden. Zurück bleibt eine sichtbar klare Schicht.

Diese Beobachtung haben mehrere Gruppen unabhängig voneinander wiederholt. Diskutiert wird, wie man sie deutet, also ob dahinter wirklich eine eigene Phase steckt.

Wie groß ist so eine Zone? Mehrere hundert Mikrometer. Ein menschliches Haar hat rund 70 Mikrometer Durchmesser, die Zone ist also mehrfach so dick wie ein Haar. Eine Hydrathülle aus wenigen Molekülschichten endet schon im Nanometerbereich, und die Zone reicht rund hunderttausendmal weiter. Genau deshalb hat die Beobachtung so viel Aufsehen erregt.

Wie viel von deinem Körperwasser an einer Oberfläche liegt

Körperwasser ist das gesamte Wasser in einem Organismus, verteilt auf die Zellen, den Raum zwischen ihnen und das Blutplasma. Der US Geological Survey nennt für Erwachsene bis zu 60 % Wasseranteil, für die Lunge etwa 83 %, für die Haut 64 % und selbst für Knochen noch 31 %.

Wie viel davon an einer Oberfläche liegt, lässt sich abschätzen. Nach einer systematischen Zählung besteht ein erwachsener Körper aus rund 3,72 × 10¹³ Zellen, also etwa 37 Billionen. Jede hat eine Außenmembran und innen ein dicht gepacktes Gerüst aus Proteinen und Membranen. Je kleiner ein Behälter ist, desto mehr Oberfläche hat er im Verhältnis zu seinem Inhalt. In einer typischen Zelle von 20 Mikrometern Durchmesser liegt rechnerisch jedes Wassermolekül höchstens 10 Mikrometer von der nächsten Membran entfernt.

Wie viel Wasser man zur Oberfläche zählt, hängt dann davon ab, wie weit eine Oberfläche ins Wasser hineinwirkt:

Angenommene Reichweite der Oberfläche	Was das für Zellwasser bedeutet
1 Nanometer (klassische Hydrathülle)	ein kleiner Prozentsatz des Zellwassers
100 Nanometer	ein deutlicher, aber begrenzter Anteil
100 Mikrometer (Ausschlusszonen-Maßstab)	rechnerisch das gesamte Zellwasser

Von der Reichweite hängt also ab, ob geordnetes Grenzflächenwasser im Körper eine Randerscheinung wäre oder der Normalfall. Ausrechnen lässt sich das nicht, man muss es messen. Und genau das haben Forscher an lebenden Zellen getan.

Was an der Ausschlusszone gemessen wurde

Eine Ausschlusszone ist ein Bereich neben einer wasserliebenden Oberfläche, in dem gelöste und schwebende Teilchen deutlich seltener vorkommen als im übrigen Wasser. Die zentrale Arbeit dazu erschien 2006 in Advances in Colloid and Interface Science. Zheng, Chin, Khijniak, Khijniak und Pollack beschreiben ihren Befund so:

„We report here that colloidal and molecular solutes suspended in aqueous solution are profoundly and extensively excluded from the vicinity of various hydrophilic surfaces. The width of the solute-free zone is typically several hundred microns."

— Zheng u. a.: Surfaces and interfacial water: Evidence that hydrophilic surfaces have long-range impact. Advances in Colloid and Interface Science 127(1), Seiten 19–27 (2006), DOI 10.1016/j.cis.2006.07.002

Die Gruppe hat den Effekt an vielen Oberflächen geprüft, an künstlichen und natürlichen Hydrogelen, an biologischem Gewebe und an Ionenaustauscher-Kügelchen. Dazu kamen mehrere Methoden: Mikroskopie, elektrisches Potenzial, UV-VIS-Spektroskopie, Infrarot- und NMR-Bildgebung.

Eine spätere NMR-Untersuchung derselben Arbeitsgruppe fand an Nafion- und Gel-Kügelchen zwei getrennte Wasser-Signale, mit kürzeren Relaxationszeiten und kleineren Diffusionskoeffizienten als reines Wasser (Yoo, Paranji, Pollack, Journal of Physical Chemistry Letters 2, Seiten 532–536, 2011, DOI 10.1021/jz200057g).

Der Ausschluss ist also groß, und man sieht ihn mit ganz verschiedenen Verfahren. Alle diese Versuche liefen an künstlichen oder isolierten Oberflächen im Labor.

Eigene Phase oder Diffusiophorese: wie Forscher die Zone erklären

In der Physik ist eine Phase ein Zustand der Materie, der in sich einheitliche Eigenschaften hat und sich durch eine Grenzfläche von seiner Umgebung abhebt. Eis, flüssiges Wasser und Dampf kennt jeder. Pollack sieht in der Ausschlusszone einen weiteren solchen Zustand.

Daniel Elton, Peter Spencer, James Riches und Elizabeth Williams haben 2020 in einer Übersichtsarbeit die bisherigen Erklärungen nebeneinandergelegt und abgewogen. Sie schreiben:

„Pollack and others have theorized that water in the EZ exists has a different structure than bulk water, and that this accounts for the EZ. We present several alternative explanations for EZs and argue that Schurr's theory based on diffusiophoresis presents a compelling alternative explanation for the core EZ phenomenon."

Sinngemäß: Pollack und andere nehmen an, dass Wasser in der EZ eine andere Struktur hat als gewöhnliches Wasser und dass dies die EZ erklärt. Wir stellen mehrere alternative Erklärungen vor und argumentieren, dass Schurrs Theorie auf Grundlage der Diffusiophorese eine überzeugende alternative Erklärung für das Kernphänomen bietet.

— Elton, Spencer, Riches, Williams: Exclusion Zone Phenomena in Water — A Critical Review of Experimental Findings and Theories. International Journal of Molecular Sciences 21(14), Artikel 5041 (2020), DOI 10.3390/ijms21145041

Diffusiophorese heißt, dass Teilchen entlang eines Konzentrationsgefälles gelöster Stoffe wandern. Eine Nafion-Oberfläche gibt Ionen ab, dadurch entsteht so ein Gefälle, und die Kügelchen werden weggeschoben. Das Wasser dazwischen müsste dafür seine Struktur gar nicht ändern. Die Theorie sagt außerdem voraus, wie die Zone mit der Zeit wächst, und diese Vorhersage wurde bestätigt.

Beide Erklärungen passen zur selben Beobachtung. Die Übersichtsarbeit nennt dazu einige Störgrößen, die Versuche an Ausschlusszonen knifflig machen, etwa geladene Oberflächengruppen, gelöste Stoffe und angelagerte Nanobläschen. Die Frage ist bis heute offen, und es wird weiter daran geforscht.

Was in lebenden Zellen gemessen wurde

Zellwasser ist das Wasser innerhalb einer lebenden Zelle, im Unterschied zum Wasser im Zwischenzellraum und im Blut. Wenn von geordnetem Körperwasser die Rede ist, geht es eigentlich um dieses Wasser, und dafür gibt es eine direkte Messung an lebenden Organismen.

Erik Persson und Bertil Halle haben Bakterien in schwerem Wasser gezüchtet und die Relaxationsrate der Deuterium-Kerne über einen weiten Magnetfeldbereich verfolgt, von 0,2 Millitesla bis 12 Tesla. Ihr Ergebnis erschien 2008 in PNAS:

„Contradicting the view that a substantial fraction of cell water is strongly perturbed, we find that approximately 85% of cell water in Escherichia coli and in the extreme halophile Haloarcula marismortui has bulk-like dynamics. The remaining approximately 15% of cell water interacts directly with biomolecular surfaces and is motionally retarded by a factor 15 +/- 3 on average, corresponding to a rotational correlation time of 27 ps."

Sinngemäß: Entgegen der Ansicht, ein großer Teil des Zellwassers sei stark verändert, verhalten sich etwa 85 % des Zellwassers in Escherichia coli und im extrem salzliebenden Haloarcula marismortui wie gewöhnliches Wasser. Die übrigen etwa 15 % stehen in direktem Kontakt mit Biomolekül-Oberflächen und bewegen sich im Mittel um den Faktor 15 ± 3 langsamer, entsprechend einer Rotationskorrelationszeit von 27 Pikosekunden.

— Persson, Halle: Cell water dynamics on multiple time scales. PNAS 105(17), Seiten 6266–6271 (2008), DOI 10.1073/pnas.0709585105

Für das Körperwasser sind diese Werte die wichtigsten:

• 85 % des Zellwassers verhalten sich in ihrer Bewegung wie gewöhnliches Wasser.
• 15 % liegen an Biomolekül-Oberflächen und sind um den Faktor 15 ± 3 verlangsamt, was einer Rotationszeit von 27 Pikosekunden entspricht. Eine Pikosekunde ist der billionste Teil einer Sekunde.
• 0,1 % sitzen in tiefen Bindungstaschen und tauschen erst im Mikrosekunden-Bereich aus.

Für lebende Zellen ist die Ausgangsfrage damit beantwortet, an Bakterien gemessen. Ein Teil des Zellwassers bewegt sich wirklich anders als der Rest. Es ist der kleinere Teil, und er dreht sich etwas träger. Wie träge? Seine Rotationszeit liegt bei rund 27 Pikosekunden. Persson und Halle wollten mit ihrer Messung einen älteren Streit über die Eigenschaften des Zellwassers klären, den sie selbst eine langjährige Kontroverse nennen.

Der nächste Schritt: Messungen am Menschen

Die Forschung ist damit von der Oberfläche im Reagenzglas bis zur lebenden Zelle gekommen. Am Anfang steht der Ausschluss an einer Oberfläche, mehrere hundert Mikrometer breit und an vielen Materialien wiederholt. Darauf folgt die verlangsamte Minderheit des Zellwassers in Bakterien, 15 % bei Faktor 15. Spannend ist der nächste Schritt: wie geordnet das Körperwasser eines Menschen ist und ob und wie es sich von außen beeinflussen lässt.

Um das im lebenden Menschen zu untersuchen, braucht die Forschung Folgendes:

1. Ein Messverfahren für den lebenden Menschen. Die 2H-Relaxationsmessung arbeitet mit Zellen in schwerem Wasser.
2. Einen Referenzwert. Er gibt an, wie geordnet das Körperwasser eines gesunden Menschen ist.
3. Klinische Studien mit diesem Endpunkt. Sie bauen auf dem Messverfahren und dem Referenzwert auf.

Was Qi Blanco an Zellen untersuchen ließ

Qi Blanco ist eine Marke für Schmuck- und Alltagsobjekte, und uns beschäftigt genau dieses Thema: Wasser und Ordnung. Deshalb verfolgen wir die Forschung dazu und lassen selbst an Zellen untersuchen, was sich tut.

Ein Beispiel ist ein Laborversuch an einer Zellschicht, in unserem Auftrag. Verwendet wurden Darmepithelzellen der Linie IPEC-J2, und gemessen wurde der elektrische Widerstand der Zellschicht, der TEER-Wert. Er zeigt, wie dicht die Zellen aneinanderschließen. In der Kontrolle lag er bei 2.542 Ω/cm², unter Belastung bei 152 Ω/cm². Im Versuchsarm mit dem QiOne® 2 Pro lag er bei 1.837 Ω/cm² (p ≤ 0,01).

Wer die physikalische Seite vertiefen möchte, findet mehr in unseren Artikeln zu kohärentem Wasser und zur zellulären Hydration. Wie das Thema im Alltag angekommen ist, erzählt der Artikel zu strukturiertem Wasser.

Häufige Fragen zum Körperwasser und zur vierten Phase

Ist die vierte Wasserphase wissenschaftlich anerkannt?

Die Zone selbst haben mehrere Gruppen unabhängig voneinander gezeigt: An wasserliebenden Oberflächen bildet sich ein teilchenfreier Bereich von mehreren hundert Mikrometern. Wie man ihn erklärt, diskutiert die Fachwelt noch. Gerald Pollack sieht darin eine eigene Phase mit anderer Struktur, die Übersichtsarbeit von Elton und Kollegen (2020) hält einen Transportvorgang entlang eines Ionengefälles für überzeugender.

Wie viel Wasser im Körper ist geordnetes Grenzflächenwasser?

Für lebende Bakterienzellen gibt es eine Zahl: Etwa 15 % des Zellwassers liegen direkt an Biomolekül-Oberflächen und bewegen sich dort rund 15-mal langsamer, die übrigen 85 % verhalten sich wie gewöhnliches Wasser (Persson und Halle, 2008). An menschlichen Zellen steht eine vergleichbare Messung noch aus.

Kann man das Körperwasser eines Menschen strukturieren?

Untersucht ist die Ordnung von Wasser bisher an Oberflächen im Labor und an Bakterienzellen. Für den lebenden Menschen braucht die Forschung zuerst ein Verfahren, das den Ordnungszustand seines Wassers misst, und einen Zielwert. Damit ließe sich dann auch eine Veränderung feststellen.

Was ist der Unterschied zwischen Hydrathülle und Ausschlusszone?

Eine Hydrathülle ist die Schicht aus wenigen Wassermolekülen, die ein gelöstes Teilchen direkt umgibt, und sie reicht nur einige Nanometer weit. Die beschriebene Ausschlusszone ist rund hunderttausendmal ausgedehnter. Um genau diesen Größenunterschied dreht sich die ganze Diskussion.

Kernaussagen zum geordneten Körperwasser

• Bis zu 60 % des erwachsenen Körpers bestehen aus Wasser, und spannend ist vor allem der Anteil, der an einer Oberfläche liegt.
• An wasserliebenden Oberflächen wurde im Labor eine teilchenfreie Zone von typischerweise mehreren hundert Mikrometern gemessen (Zheng u. a., 2006).
• Ob diese Zone eine eigene Phase ist, wird diskutiert; eine Übersichtsarbeit von 2020 hält Diffusiophorese für die überzeugendere Erklärung.
• In lebenden Bakterienzellen verhalten sich rund 85 % des Zellwassers wie gewöhnliches Wasser, 15 % sind an Oberflächen um den Faktor 15 verlangsamt (Persson und Halle, 2008).
• Diese Verlangsamung spielt sich im Bereich von 27 Pikosekunden ab, also in billionstel Sekunden.
• In einem Laborversuch an einer Zellschicht, in unserem Auftrag, lag der elektrische Widerstand im Versuchsarm mit dem QiOne® 2 Pro bei 1.837 Ω/cm², unter Belastung bei 152 Ω/cm² (p ≤ 0,01).

Quellen und weiterführende Literatur

• Zheng, J.-M.; Chin, W.-C.; Khijniak, E.; Khijniak, E.; Pollack, G. H.: Surfaces and interfacial water: Evidence that hydrophilic surfaces have long-range impact. Advances in Colloid and Interface Science 127(1), 19–27 (2006). https://doi.org/10.1016/j.cis.2006.07.002
• Persson, E.; Halle, B.: Cell water dynamics on multiple time scales. Proceedings of the National Academy of Sciences 105(17), 6266–6271 (2008). https://doi.org/10.1073/pnas.0709585105; Nachweis in PubMed: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18436650/
• 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(14), 5041 (2020). https://doi.org/10.3390/ijms21145041; Preprint frei zugänglich: https://arxiv.org/abs/1909.06822
• Yoo, H.; Paranji, R.; Pollack, G. H.: Impact of Hydrophilic Surfaces on Interfacial Water Dynamics Probed with NMR Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry Letters 2, 532–536 (2011). https://doi.org/10.1021/jz200057g; Nachweis in PubMed: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22003430/
• Bianconi, E. u. a.: An estimation of the number of cells in the human body. Annals of Human Biology 40(6), 463–471 (2013). https://doi.org/10.3109/03014460.2013.807878; Nachweis in PubMed: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23829164/
• U.S. Geological Survey: The Water in You: Water and the Human Body. https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/water-you-water-and-human-body