「水」：この不思議な物質井口和基

KazumotoIguchi Research Lab.(KIRL)

「水」の研究の歴史は長い● 「水」の流体としての性質は流体力学で研究。

Euler方程式。Lagrange方程式。Navier-Stokes方程式● 「水」の熱力学的研究は非常に古く、熱力学の

発展とともに理解されるようになった。１００度Cで沸騰し、０度Cで凍る。複雑な相図。

● 水の分子構造は量子力学により解明できた。水分子はミッキーマウス型の双極子。誘電率が大きい。水素結合し、氷の構造はダイヤモンド格子型。４度Cで密度最大。氷の方が水より軽い。

「水」の研究の難しさの理由●「水」は、●水分子の多体問題である。

●無色透明で、あまりに身近で見過ごされがちである。

●物理化学生物現象の多岐に関係する。

●ミクロからマクロまですべてに関わる。

●研究が散発的である。

●米ソ冷戦のせいで２つの世界の研究が分離した。●観測や実験が難しい。

「水」を研究した／する人々

J. Yvon(1935)

O. Ya. サモイロフ(1973)

ソ連西側諸国

M. Born(1920)

第二次世界大戦

肥後順一(東京薬大生命2006)

西信之(分子研1995)

喜多淑子(慶応大医2005)

中迫雅由(慶応理工2006)

八木原晋＆新屋敷直木(東海大理物2004)

笹井正毅(名大人間情報1990)

I. W. ペトリャノフ(1981)

G. N. Ling(1962)

J. G. Kirkwood(1946)

R. W. Zwanzig(1954)

P. G. Wolynes(1984)平田文男(分子研1982)

J. N. Israelachvili(1980)

J. D. Bernal(1959)

N. N. Bogoliubov(1946)

A. Einstein(1905)

M. Born&G. H. Green(1946)

上平恒(東工大生物1970)

ボリス・デリャーギン(1976)

ポリウォーター事件L. Onsager(1967) 分極多層水

V. Shauberger(1930)

木下一彦(早大理工物1985)

R. A. Marcus(1957)

参考文献1. 生物学Gilbert. N. Ling(1950~?) Gerald H. Pollack(1970~)

2. 化学　　　　　　　　　　　　マーカス理論

O. Ya. サモイロフ「イオンの水和」　

ペトリャノフ「水の科学Q＆A」　　　　　　

水和 ルシャトリエの法則

3. 物理学● A. Einstein

Theory of Browian Motion(ミクロな理論)

● L. OnsagerOnsager theory of fluctuations

Onsager's reciprocal theorem

Onsager-Hubbard理論

● I. PrigogineLeast production of entropy

● J. M. Ziman, Models of DisorderBernal model of liquids

● BBGKY(Bogoliubov-Born-Green-Kirkwood-Yvon)理論

4. 流体力学（マクロな理論）

● Landau-Lifshitz's Fluid Mechanics● 柘植俊一「流体の科学」

Navier-Stokes方程式

● ヴィクトル・シャウベルガーアリック・バーソロミュー自然は脈動する。

● ナチのUFOの「爆縮型エンジン」を製作

5. 生化学＆物理化学

● 生化学　　　　　　　　　　物理化学

「水」は生命現象にどう関わっているか？

Pollack's bookより

● 生命における水の働きを理解したい● 高分子の折れ畳み問題　　　　　　　　　　イオンの選択的透過

概日周期

● さまざまな回路

有坂文雄「スタンダード生化学」より

「水」は生命の主役か？黒子か？● 流体力学（マクロな理論）

Navier-Stokes方程式 スケール変換によりミクロにも通用する。 水の双極子や電荷の性質は無視する。レイノルズ数 ＝ 長さ・速さ/粘性: R = LV/η

● ブラウン運動（ミクロな理論）拡散方程式　 拡散係数 ストークス−アインシュタイン関係式並進回転 D' = r^2/(6τc) ) = kT/(8πηr^3)

D = r^2/(6τd) ) = kT/(6πηr)

r

∂n∂ t

=D ∂2n

∂ x2 D= r2

6τ

● 水和 ● 水中：τd 〜 2τc　水の運動：τr 〜 3τc, τc 〜 10^{-12}sec

● 自己拡散係数：D(Na＋) < D(K＋) < D(Cl-) ミクロ粘度：η(Na＋) > η(K＋) > η(Cl-)

イオン Li+ Na+ H2O K+ Rb+ Cl- Br-

rs　Å 2.38 1.84 1.38 1.25 1.18 1.21 1.18

rc　Å 0.60 0.95 1.38 1.33 1.48 1.81 1.95

正の水和＝動きにくい＝構造形成イオン

負の水和＝動きやすい＝構造破壊イオン

上平「水とは何か」より上平「生命からみた水」より

● 糖の水和＝イオンや糖の水和＝親水性水和 ● 糖のOH基＋水のO−>水素結合（イオン＋水−> 双極子）

＝「負の水和」＝動きやすい● ６炭糖：スクロース（蔗糖）、フルクトース（果糖）、グルコース（ブドウ糖）

水中で水素結合の核になり、水分子の衣を着る＝周りの水を安定化する● ５単糖：デオキシリボース、リボース、キシルロース

水素結合部位が少ない＝周りの水は不安定＝流動的＝動きやすい

● デオキシリボース＞リボース＞フラクトース＞グルコース「水」の中では、DNAやRNAは動きやすい。

糖 n(e-OH) nh τ’c／τc

デオキシリボース 1.4 6 2.90

リボース 2.1 6 2.82

フルクトース 3 6 3.75

グルコース 4.6 6 4.10

● アルコールの水和＝疎水性水和● メタノールCH3OH->メチル基-CH3は水分子間の空孔● OH基は水分子のOと水素結合: -OH∙∙∙∙O

● メチル基の周りの水は低エントロピー＝エネルギーが高い＝動きにくい

H3C--OH

水分子の運動状態と時間スケール

● 隙間水の研究● Israelachviliらの物質面間の「水」の力の測定。● 距離に応じて振動する。

● ルシャトリエの原理● 平衡状態からのずれの法則（１８８４年）● 平衡系に外力が加わるとそのストレスを減らす方向に平衡がずれる。

● 加水分解● ATPの加水分解

ATP + H2O ↔ ADP + Pi + (H+) + 7.3kcal/mol

ΔG =ΔG０+ RT log([ADP][Pi][H+]/[ATP][H2O])

A ↔ B - 4kcal/mol

A + ATP + H2O ↔ B + ADP + Pi + (H+) + 3.3kcal/mol

● 蔗糖の加水分解

● ソーダ水

● 光合成

● 呼吸作用

　

10kT=6kcal/mol

「水」中の高分子の揺らぎの測定安田涼平、木下一彦「巨大な目印をつけて、分子の回転をみる」

通常、生物学における模式図には「水」が描かれない。パソコンやCGが発達して描画が進歩したためにかえって誤りを伝播する傾向が強くなっている。

木下一彦、池上明「生き物の分子構造をのぞく」、パリティ（１９８６）

「水」中の電子の移動● Marcus Theory(1956)● 電気分極(Polarization)の理論● 時間スケール

秒名 ミリ マイクロ ナノ ピコ フェムト アト � � � � � �

10^{-x} -3 -6 -9 -12 -15 -18 -21 -24ms μs ns ps fs as zs ys

電子分極 原子分極 配位分極10^{-15}s 10^{-13}s 10^{-11}s

E- + - + +-

● 電子移動反応のマーカスの公式

２＋

２＋３＋

３＋

R

a1

a2

反応物 生成物

Gilbert N. Lingの研究● Living State

「生きている状態」＝高い負のエネルギー＋低エントロピー

● Association-Induction Hypothesis(AIH)「集合−誘導仮説」

生命 磁性水分子、アミノ酸、イオン 鉄くぎ

タンパク質 鉄くぎの鎖重要な吸着物 磁石

AI-仮説 磁気誘導（協力現象）

● Charge Fixation「電荷固定」

● Polarized Multi-Layer Water「分極多層水」

● Ling-Yang's coorperative adsorption Theory「協同吸着理論」(1962)

＝１次元のIsing模型の結果

● Cooperative Phenomena「協同現象」＝＞相転移現象

疎水相互作用による協同現象● タンパク質の折れ畳み問題● 田中豊一のゾル−ゲル転移 Pande et al., Current Opinion in Struct. Biol. 8, 68-79(1998)

「水」に関するまた違った問題Onsagerのプロトン伝達経路 松野孝一郎の消費者支配の熱力学

Vr

R

I

V

ショート

r

I

V = (R+r) I

P = V I

V = r I

P = V I = V^2/r

ポリアセチレン中のソリトンと同じ±1/2電荷！

ヴィクトル・シャウベルガーの研究● 自然は渦巻く

● 「水」は渦巻く

● 川は脈動する

● 川を設計する河川工学

● 自然は循環する

● 山林を設計する

● 植物を設計する

● 渦巻きを設計する重力を軽減する

ナチスの空飛ぶ円盤Who fighterのエンジンモデル