Новое исследование с использованием искусственного интеллекта подтвердило давнюю гипотезу: вода на молекулярном уровне может существовать в двух формах — более плотной и менее плотной, которые постоянно переходят друг в друга. Открытие, опубликованное в журнале Nature Physics, может объяснить десятки аномалий поведения воды, которые десятилетиями ставили учёных в тупик.
Большинство жидкостей становятся плотнее при охлаждении. Вода ведёт себя иначе: она становится плотнее до 4 градусов Цельсия, а затем начинает расширяться — именно поэтому лёд плавает. Вода также лучше сопротивляется изменениям температуры, чем аналогичные жидкости, а её вязкость меняется под давлением. Учёные давно подозревали, что все эти аномалии могут быть связаны с тем, что вода на молекулярном уровне представляет собой две разные жидкости.
Гипотеза о двух состояниях воды существовала десятилетиями. В 2006 году исследователи начали сообщать об экспериментальных доказательствах того, что переохлаждённая вода может разделяться на две формы — с высокой и низкой плотностью. Но прямых доказательств этого перехода на молекулярном уровне до сих пор не было.
Как искусственный интеллект помог разгадать тайну
Профессор Сяо Чэн Цзэн из Городского университета Гонконга изучает воду с конца 1990-х годов. Гипотеза о двух состояниях привлекла его внимание, но долгие годы он откладывал её как слишком сложную для прямого исследования. Всё изменилось около двух с половиной лет назад, когда он передал задачу постдоку Ливену Ли.
Ли предложил использовать «неконтролируемое глубокое обучение» — метод искусственного интеллекта, который обучается находить закономерности в данных без подсказок. Команда провела масштабные молекулярно-динамические симуляции с использованием программного пакета GROMACS. Они отслеживали движение и взаимодействие сотен тысяч молекул воды, сгенерировав десятки миллионов точек данных. По словам Цзэна, традиционными методами на такой анализ ушло бы около десяти лет. С помощью искусственного интеллекта это заняло полтора года.
Искусственный интеллект выделил так называемые «координаты реакции» — небольшой набор переменных, описывающих, как локальное расположение молекулы воды меняется при переходе из плотной структуры в более рыхлую и обратно. Исследователи построили график поведения системы вдоль этих координат и увидели форму перехода, включая энергетические барьеры, которые молекулы должны преодолеть для переключения.
Два пути превращения
Команда обнаружила, что путь, которым структуры превращаются друг в друга, зависит от условий. В большинстве случаев переход происходит по так называемому «полукольцевому» пути с одним энергетическим барьером. Но вблизи границы между высокоплотной и низкоплотной водой — той же границы, где лёд и жидкая вода сосуществуют при 0 градусов Цельсия, — молекулы могут выбрать более сложный «полный кольцевой» путь с тремя барьерами.
Цзэн сравнил это с подъёмом на гору, разрезанную пополам: с одной стороны пологий склон, с другой — отвесная скала. В большинстве случаев молекулы идут по склону — это полукольцевой путь. Но вблизи границы, где две половины сходятся, гора становится целой, позволяя обойти всю вершину — это полный кольцевой путь.
Почему это важно
Подтверждение двух состояний воды может объяснить многие её аномальные свойства. Но практическое значение выходит далеко за рамки фундаментальной науки. Поскольку большинство биологических и фармацевтических процессов происходит в воде, лучшее понимание её молекулярной структуры может пролить свет на то, как растворённые соли, белки и молекулы лекарств взаимодействуют в растворе. Эти взаимодействия критически важны для инъекционных препаратов и функций клеток.
Цзэн и его команда сейчас работают над созданием более строгой модели машинного обучения для подтверждения результата. Они надеются в конечном итоге связать её со свойствами воды, такими как плотность, вязкость и температура. Однако подтверждение структуры в реальной воде будет непростым. Это потребует новых чувствительных экспериментальных методов. Как только это будет подтверждено экспериментально, модель можно будет использовать для понимания того, как вода взаимодействует с природой. Пока что применение этих знаний на практике — ещё далеко. Но сам факт, что вода может быть двумя жидкостями одновременно, меняет наше представление о веществе, которое мы считали самым простым и понятным.
