Die Entdeckung eines kritischen Punkts in supergekühltem Wasser bei minus 63 Grad Celsius und rund 1000 Atmosphären Druck wirft ein völlig neues Licht auf die fundamentale Rolle von Wasser in biologischen Systemen. Forscher der Universität Stockholm sehen darin den Schlüssel zum Verständnis, warum Wasser als einziges überkritisches Lösungsmittel unter Alltagsbedingungen Leben ermöglicht – und warum seine anomalen Eigenschaften für Proteinstrukturen, Zellprozesse und die Entstehung des Lebens entscheidend sind.
Der kritische Punkt markiert den Übergang zwischen zwei flüssigen Phasen von Wasser mit unterschiedlicher Molekülbindung. Die daraus resultierenden starken Fluktuationen reichen bis in den normalen Temperatur- und Druckbereich und machen Wasser zu einer Flüssigkeit, die ständig zwischen zwei Zuständen oszilliert. Diese Fluktuationen sind nach Ansicht der Wissenschaftler verantwortlich für die einzigartigen Eigenschaften von Wasser, die es zum idealen Medium für biologische Prozesse machen: hohe Wärmekapazität, außergewöhnliche Lösungsfähigkeit für polare und unpolare Stoffe sowie die Fähigkeit, in engen Räumen wie Proteinfalten oder Zellmembranen besondere Strukturen auszubilden.
„Wasser ist das einzige überkritische Flüssigkeitsmedium, in dem Leben existiert. Ist das ein reiner Zufall – oder gibt es hier essenzielles Wissen für die Zukunft zu gewinnen?“, fragt Fivos Perakis, Associate Professor für Chemische Physik an der Universität Stockholm. Die Fluktuationen nahe des kritischen Punkts könnten erklären, warum Wasser in biologischen Systemen so effizient funktioniert: Sie ermöglichen eine dynamische Hydrathülle um Proteine, die deren Faltung, Stabilität und enzymatische Aktivität optimiert. Ohne diese Fluktuationen wären viele lebenswichtigen Prozesse – von der DNA-Stabilisierung bis zur Signalübertragung in Nervenzellen – nicht möglich.
Für die Kryobiologie und die Konservierung von Zellen und Organen eröffnen sich völlig neue Perspektiven. Die Erkenntnisse könnten helfen, Spätfolgen bei der Tiefkühlung von biologischem Material besser zu verstehen und zu vermeiden. Auch für die Medizin sind die Ergebnisse relevant: Bessere Modelle der Wasserstruktur in Zellen könnten die Entwicklung neuer Medikamente oder die Erklärung von Krankheiten vorantreiben, bei denen Wasserdynamik eine Rolle spielt – etwa bei neurodegenerativen Erkrankungen oder Alterungsprozessen.
Professor Anders Nilsson von der Universität Stockholm betont: „Der nächste Schritt ist es, die Implikationen dieser Befunde für biologische Prozesse zu untersuchen.“ Die Studie, die in der Fachzeitschrift „Science“ erschienen ist, beendet eine über ein Jahrhundert andauernde Debatte und öffnet interdisziplinäre Wege zwischen Physik, Chemie und Biologie. Sie zeigt: Die scheinbar banalen Eigenschaften von Wasser sind kein Zufall – sie sind die Grundlage allen Lebens auf der Erde.
