איך מים בנויים? החוקר הישראלי שמנסה לפצח את החידה

בני אדם מתייחסים למים כאל עניין מובן מאליו, אומר בספק תלונה פרופ' אהוד פינס מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן גוריון. "ביומיום אנחנו לא חושבים איזה נס גדול הוא שאנחנו הולכים בגשם ולא מיד נמסים כמו המכשפה ב'קוסם מארץ עוץ', אבל זה התאפשר אך ורק משום שהאבולוציה שלנו הייתה בסביבה של מים ולכן התפתחנו כך שנדע לחיות איתם. הם נראים לנו כמו חומר לא אקטיבי, מאוד תמים. אפילו כדי להתנקות, מים לא מספיק פעילים על שומני העור, ואנחנו צריכים גם סבון, אבל אנחנו דוגמה לא מייצגת. מים הם ממס חזק מאוד, מאוד, וכל מה שלא מותאם לחיות איתם נמס בהם".

אף שמים הם מובן מאליו מבחינתנו, אנחנו לא ממש מבינים אותם. "אין היום הסכמה במדע על המבנה המדויק שלהם", מבהיר פינס. "המדע כבר עוסק בקווארקים ובגלקסיות, אבל את הדבר הכי בסיסי סביבנו והכי מצוי בתוכנו אנחנו עוד לא מבינים".

ויש לכך השלכות. "אנחנו לא יודעים עד הסוף את הדינמיקה של עננים, של זרמי מים בים, ומודלים של חיזוי מזג אוויר קורסים בטווח הדי קרוב. זה משפיע אפילו על חקר משבר האקלים, ואולי אפילו על הרפואה. הרי אנחנו בעצמנו עשויים ממים, כך שאנחנו בעצם לא מבינים עד הסוף ממה עשוי הגוף שלנו".

המדע התפתח לכאורה בסדר גמור בלי הידע הזה, אומר פינס, "אבל זה ההבדל בין מדע לטכנולוגיה. בעוד הטכנולוגיה מבוססת על מה שאנחנו כן מבינים ועל קצת שיטת מצליח, במדע, ככל שמעמיקים יותר, כך מתברר שלא באמת הגענו להבנה מלאה ושלמה בשום תחום. יש מי שאומר שלעולם לא נדע, שהמערכות כל כך מורכבות שהמוח שלנו לעולם לא יהיה מסוגל לתפוס את זה, ויש מי שאומר שגם אם לעולם לא נגיע, אנחנו כל הזמן הולכים ומתקרבים".

מחקר מקביל, לא לשם פרנסה

פינס הקדיש קרוב ל־20 שנה מחייו כדי לחקור תופעה אחת הקשורה במים: המוליכות החשמלית שלהם. הוא קיבל את ההכרה ואת הפרופסורה שלו על בסיס מאמרים שפרסם בתחומים אחרים בכימיה, בכתבי עת מובילים, אבל במקביל למדע שהוא עשה "לשם פרנסה", כפי שהוא מתאר זאת, הוא תמיד הקדיש חלק ממאמציו לשאלה כיצד פרוטונים עוברים במים, שהיא בעצם השאלה כיצד הם יוצרים זרם חשמלי.

"אני עוסק בבעיה הזאת מאז שהייתי סטודנט", מספר פינס. "יש לי זיכרון חי וחד של עצמי עוסק בבעיה הזו מאז שנות השמונים של המאה הקודמת, תמיד במקביל לעבודה שפרנסה אותי בפועל. ברגע שקיבלתי את המשרה בבן גוריון, מיד שמתי גז גם על זה, אבל האקדמיה בישראל מעולם לא נתנה לי כסף עבור זה, העזה לא לתת כסף למי ש - כך אני מקווה - יוכר בעתיד כאחד ממובילי התחום".

לאחרונה, הוא פרסם תיאוריה חדשה על מבנה המים ותנועת הפרוטון בהם ואף הראה הוכחות שתומכות בה. בעולם המדע לא ממהרים לאמץ אותה, אך הוא רואה בהתנגדות הזאת חלק טבעי בהתקדמות המדע.

פריצת הדרך שהמדע התקשה לעכל

"שאלת המוליכות החשמלית של המים קיימת בכימיה הפיזיקלית מאז שהמדע הזה קיים", אומר פינס. בתחילת הדרך, השאלה הייתה איך יכול להיות שמים מוליכים חשמלכל כך טוב, אף שיש להם צמיגות גבוהה יותר משל ממסים מצויים אחרים. על פניו נראה היה שקשה לחשמל, שלא בדיוק ידעו מה הוא, לעבור "דרך" המים.

אחד המדענים הראשונים שהציע פתרון לחידה היה תיאודור גרוטוס, בתחילת המאה ה־19. בתקופתו כבר הכיר העולם את החשמל והיו שיטות שונות להפיקו, אבל המדע הכיר את מבנה החומר רק עד רמת האטומים, כך שגרוטוס כלל לא ידע שקיים חלקיק בשם פרוטון, שהוא אטום מימן שאיבד אל האלקטרון שלו ולכן נושא מטען חיובי, ושהמעבר שלו במים יוצר את הזרם החשמלי.

אבל לגרוטוס כן הייתה פריצת דרך, בכך שהיה הראשון ששיער כי החשמל לא צריך לעבור בין המולקולות של המים, אלא איכשהו מועבר באמצעותן. "התיאוריה של גרוטוס הייתה שהמים מסתדרים כך שכל אטום מימן נמצא ליד אטום חמצן לסירוגין בשרשרות ארוכות, והאטומים בשרשרת איכשהו מעבירים ביניהם את הזרם החשמלי מצד אחד של המים לצד השני", אומר פינס.

 פרופ' אהוד פינס / צילום: Dani Machlis

גרוטוס פרץ דרך שהיום נראית לנו ברורה מאליה. המחשבה שלו על שרשרת של מולקולות שמעבירות את החשמל ביניהן כיוון את המדע לכיוון הנכון. "זו דוגמה מצוינת לכך שהמדע מתקדם גם כשהוא מציע תשובה לא נכונה", אומר פינס. "זו מחשבה שמפריעה לפילוסופים, כי הם אומרים שאם אתה טועה, אתה הרי בהכרח לא צודק, אבל במדע לפעמים זה אפשרי לטעות ולצדוק במקביל. גרוטוס טעה, כי המים לא באמת מסתדרים בשרשראות כאלה ארוכות כדי להעביר את המטען, והתשובה שלו לא הייתה מלאה, כי הוא כלל לא הכיר את הפרוטון. אבל הוא הראה למדענים אחרים את הכיוון".

כאשר הוצע הרעיון שהמטען עובר בין המולקולות, נדרש לעולם זמן לקבל זאת, אומר פינס. "מדענים לא הבינו איך יכול להיות שבדבר כל כך יציב כמו מים מכניסים קצת חומצה ומעבירים קצת חשמל וזה שובר קשרים כימיים - המולקולות של המים מתפרקות ונבנות מחדש באופן שמאפשר את העברת המטען. כשזה קורה, המים בקושי משנים את הטמפרטורה שלהם והצבע לא משתנה בכלל". כאשר מבנה האטום החל להתברר, קיבלה גם הגישה של גרוטוס משנה תוקף, אם כי ברור היה שהמודל שלו אינו נותן את ההסבר המלא.

למה חזר חוקר מהמאה ה־19 לספרי הלימוד

בשלב הזה של השיחה, פינס נאנח. "פיזיקאים. הם חושבים שאם אתה לא מדבר על גלקסיות, זה לא מעניין. אבל בעיניי גרוטוס לא פחות חשוב מהגילוי של המפץ הגדול. זה משנה את תמונת העולם שלנו, את בסיס החיים. אפשר לחיות נהדר בלי להכיר את המפץ הגדול, אבל בלי כימיה פיזיקלית, אי אפשר אפילו להתחיל לחשוב על הבעיות העצומות הנובעות מהשאלה איך החיים מנהלים את עצמם מבחינה ביולוגית וכימית".

אבל "הבעיה של המים" עדיין לא נפתרה. "הבעיה של המים היא שמצד אחד הם נוזל, ולנוזל בדרך כלל אין מבנה מסודר כפי שיש למוצק, ומצד אחר ידוע שכן יש להם מבנה. אם נבין את המבנה של המים, אולי גם נדע להסביר איך הפרוטון קופץ בין המולקולות, כלומר, איך עובר הזרם החשמלי".

בכל 20־30 שנה, אומר פינס, מגיע חוקר עם מודל חדש שמסביר את מבנה המים. "התחלופה היא כה גדולה, עד שספר הלימוד הנפוץ בעולם בתחום הכימיה הפיזיקלית, ספר הלימוד של פיטר אטקינס, שגם אנחנו מלמדים אותו באוניברסיטת בן גוריון, הרים ידיים והחזיר את המודל של גרוטוס! זה שכבר 100 שנה ידוע בבירור שהוא לא נכון, אבל לפחות על זה אף אחד לא מתווכח, כי זה לא 'שייך' לאף אחד מהצדדים בוויכוח שמתקיים היום. אבל בעיקר, אנשים כבר התייאשו מלדון בנושא, ההתקדמות נראית אפסית וזה מתסכל".

"מדענים קודם כול מתעלמים"

קיימים היום בעולם כמה מודלים לתיאור המבנה של המים, אך פינס משוכנע שהמודל שלו הוא הקרוב ביותר לאמת.

המודל מתאר שורה של מולקולות מים שמתחברות ומתנתקות זו מזו כדי להעביר את הפרוטון מאחת לאחרת (ראו תרשים). "דמיינו שורה ארוכה של מולקולות מים, שהשלוש הראשונות סוחבות כרגע פרוטון עודף והן קשורות זו לזו בשני גשרים, בין המולקולה הראשונה לשנייה, ובין השנייה לשלישית. הפרוטון כל הזמן קופץ מצד לצד, מהגשר שבין המולקולה הראשונה לשנייה לגשר שבין המולקולה השנייה לשלישית.

"כדי להתקדם, השלישייה הזאת נצמדת למולקולה הרביעית, ואז הראשונה בשרשרת מתנתקת. אם נדמיין שהמולקולות הן קרונות ברכבת, אז למעשה הקרונות נשארים באותו מקום, אבל הם מתחברים בכל פעם במקום אחר, והמטען שעל גבי הקרונות, הפרוטון, משנה את מיקום הקפיצה שלו בהתאם. בכל פעם קרון אחד נוסף מקדימה וקרון אחד מתנתק מאחורה, והמטען תמיד קופץ במקום שבו נמצאים שלושה הקרונות המחוברים".

אפשר לחשוב על זה כעל מעין גל שמתקדם?
"כן! זו התנועה. החיבור בין המולקולות הוא שמתקדם ולא המולקולות עצמן. הפרוטון בכל פעם ייאלץ לקפוץ לגשר הבא. לכן ההתקדמות שלו תלויה במבנה של המים".

זו התיאוריה, והיא פורסמה ב־Angewandte Chemie, כתב עת גרמני בתחום הכימיה. פינס מספר שהמאמר זכה לתהודה רבה בעולם המדעי "אבל למעט מאוד התייחסות עניינית", כדבריו. "הפסיכולוגיה מאוד משמעותית אצל המדענים, ואם מה שנאמר לא מסתדר עם מה שהם כבר מכירים, הם קודם כול מתעלמים. לעומת זאת בתקשורת העולמית העוסקת בתחום המדע, הרעיון תפס כמו אש, ו־30 פורטלים של חדשות מדע דיווחו עליו".

הוכחה לתיאוריה בעזרת מאיץ חלקיקים

פינס מספר שהוא ניסה וגם הצליח להוכיח את התיאוריה שלו. "אני עובד עם קבוצה מאוד חזקה של חוקרים בברלין. יחד פרסמנו מאמרים בנושאים אחרים, בכתבי עת מעולים, וכך הם למדו שאפשר לסמוך על מה שאני אומר. החוקרים, בראשותו של ד"ר אריק ניברינג מהמכון על שם מקס בורן בברלין, שאסף סביבו קבוצה גדולה של חוקרים מגרמניה ושבדיה, קיבלו מימון אירופי של מיליוני דולרים, והשתמשנו בו כדי לבצע צילום בקרני X (רנטגן) מאוד מהיר של כמה מולקולות של תמיסת מים בתוך קרינה של מאיץ חלקיקים". לדברי פינס, הצילום הזה אישש את התיאוריה שלו לגבי מבנה המים, אך עדיין יש להוכיח שהפרוטון אכן עובר דרכם באופן שתיאר.

"כאשר תהיה לי ההוכחה, אתקשר לאטקינס ואבקש ממנו להכניס אותי לספר הלימוד שלו. אני משוכנע שההסבר שלי הוא בכיוון הנכון, אולי עדיין לא מושלם או מדויק בפרט כזה או אחר, אבל אני נחוש בדעתי שזהו המסלול להגיע אל הפתרון היותר השלם.

"זיהיתי כבר בשלושה מאמרים שפרסמו חוקרים אחרים לפניי תוצאות שתומכות בכיוון הזה, רק שהחוקרים הללו לא העלו בדעתם לקרוא את הנתונים כך".

פינס מאמין שלשאלת מעבר הפרוטון יש משמעות גם במערכות ביולוגיות. "השאלה הגדולה אם ההתנהגות במערכות חיות היא דומה. הרי גם הגוף החי תלוי בהעברת מטענים חשמליים באמצעות פרוטון. "אין כל כך הרבה בעיות שהן כל כך טהורות, הכי פשוטות וגם הכי עמוקות. זה נחמד לעבוד על בעיה שגם זוכי פרס נובל עבדו עליה, ואולי להיות בסופו של ד בר יותר קרוב לאמת מהם.

"כמובן, אם אפתור את הבעיה או אקדם את הפתרון באופן כלשהו, זה יהיה מתוך עמידה על כתפיהם, אבל בסופו של דבר מרגש אותי לחשוב שזו בעיה שכל הדורות חשבו עליה ולא הגיעו לפתרון כמו זה שאנחנו רואים בניסיונותינו האחרונים".