Juot samaa vettä kuin dinosaurukset miljoonia vuosia sitten. Lasissasi on aina neljänlaista vettä, vaikket sitä huomaa. Jos joutuisit keräämään vetesi molekyyleistä, et ikinä saisi juodaksesi mitään. Vesi on yllättävän outo aine.

Teksti: Petri Forsell

Julkaistu Tiede-lehdessä 7/2012

Vesi on ikivanhaa

Maapallolla vaikuttaa olleen vettä runsaasti jo 4,3 miljardia vuotta sitten, kun kotiplaneettamme oli nuori. Sama vesi on käytössä edelleen, vaikka vesimolekyylejä myös ha­joaa ja muodostuu muun muassa biologisissa prosesseissa. Jokaisessa lasillisessa juomme samoja vesimolekyylejä, joita joskus nauttivat janoiset dinosaurukset. Veden rakenneosat ovat tietysti vielä vanhempia. Vety on peräisin varhaisesta maailmankaikkeudesta yli 13 miljardin vuoden takaa. Happi puolestaan syntyi tähdissä 5–10 miljardia vuotta sitten.

Vesissä on eroa

Suurin osa juomavedestä on tavallista vety- ja happiatomien yhdistettä eli tuttua H2O:ta, mutta 0,2 prosenttia on nestettä, jossa joko happi- tai vetyatomilla on ylimääräisiä neutroneja ytimessään. Vedellä onkin neljä erilaista nestemuotoa – vaikkei juoja sitä huomaa. Hapen raskaalle isotoopille kukaan ei ole vaivautunut keksimään nimeä, ehkä siksi, että sen ei ole huomattu vaikuttavan veden ominaisuuksiin, mutta kummallekin vedyn isotoopille on oma nimi.

Jos vetyatomilla on yksi neutroni, vesi on deuteriumoksidia eli raskasta vettä. Tämä vesi yhdistetään usein atomienergiaan, ja sitä käytetäänkin ydinlaitoksissa reaktion hidastimena. Raskas vesi ei kuitenkaan ole radioaktiivista tai erityisen vaarallista muutenkaan. Elimistössä on yleensä raskasta vettä muutama prosentti. Terveys vaarantuisi vasta, jos sen osuus olisi puolet.

Jos neutroneja on kaksi, vesi on tritiumoksidia, "superraskasta" vettä. Tämä vesi on lievästi radioaktiivista ja syövyttävää. Sitä on kuitenkin luonnossa hyvin vähän, joten siitäkään ei ole vaaraa. Superraskasta vettä käytetään joskus lääketieteellisissä tutkimuksissa merkkiaineena. Sen avulla voi myös selvittää viinin iän, koska tritiumin määrä puolittuu 12 vuodessa.

Märkyyskin outoa

Kun nouset uimasta, ihosi tuntuu märältä. Se on poikkeuksellista, sillä yleensä nesteet aiheuttavat muita tuntemuksia. Esimerkiksi asetoni on iholla kylmää ja öljyt rasvaisia. Veden märkyys aiheutuu yhtäältä veden hitaasta haihtumisesta ja toisaalta sen kyvystä tarttua pintoihin. Toisin kuin useimmat muut nesteet vesi pysyy iholla pitkään, liikkuu vilkkaasti ja imee lämpöä hitaasti. Kolmas tekijä veden märkyydessä on psykologia: olemme oppineet yhdistämään tietyt tuntemukset märkyyden käsitteeseen.

Elämälle juuri sopivaa

Vesimolekyylissä vetyatomit sijaitsevat happiatomin kahdessa kärjessä. Tavan takaa, miljoonia kertoja sekunnissa, naapurimolekyylin happiatomi tulee kuitenkin lähemmäksi kuin vetyatomin "oma" happi ja vety muodostaa toisen sidoksen. Nämä sidokset ovat poikkeuksellisen herkkiä. Ne murtuvat kymmenen kertaa helpommin kuin kemialliset sidokset yleensä. Tämä kyky luoda ja purkaa sidoksia on syy moniin veden yllättäviin ominaisuuksiin.

Elämää ajatellen veden vetysidosten murtumaherkkyys on juuri oikea. Jos sidos olisi prosentin murto-osan vahvempi, vesi muuttuisi lasimaiseksi ja kaikki elollinen jähmettyisi patsaiksi. Saman verran heikompi sidos taas merkitsisi sitä, että vesi höyrystyisi parinkymmenen asteen lämmössä.

Herkkien sidosten takia vesi ei muiden aineiden tavoin kutistu kylmetessään. Se on tiheimmillään neliasteisena ja sen jälkeen se laajenee, kylmeni tai lämpeni. Jos vesi olisi kuten muut aineet, jää vajoaisi aina pohjaan. Vähitellen kaikki vesistöt jäätyisivät kokonaan, ellei sitten päiväntasaajalle jäisi pieni sulan veden kaistale. Elämää siinä ei olisi, sillä veden on oltava juuri sellaista kuin on, muuten biologiset prosessit eivät onnistu.

Vedessä on särmää

Vesi vaikuttaa aina samalta, mutta todellisuudessa ei ole kahta samanlaista lasillista. Kun vesimolekyylit tarttuvat toisiinsa, syntyy rakenteita, joita silmä ei näe mutta jotka paljastuvat röntgenkuvassa. Vesi on kuin ranta, joka näyttää kaukaa katsottuna tasaiselta mutta muodostuu mitä erilaisimmista kivistä. Vedessä näitä läheltä katsoen erottuvia muotoja ovat muun muassa monikul­miot, pyramidit ja tähdet.

Yleisimpiä vaikuttavat olevan muutaman molekyylin rakenteet, mutta yksi löydös käsitti peräti 280 molekyyliä. Ne olivat järjestyneet ikosaedriksi, joka koostui 20 tasasivuisesta kolmiosta. Ikosaedri kuulostaa monimutkaisemmalta kuin onkaan, sillä muoto on tuttu esimerkiksi himmelistä ja roolipe­lien 20-sivuisista nopista.

Ikosaedrin löytyminen vedestä kuumotti tutkijoita – syystä. Kun antiikin kuulu filosofi Platon lähes 2 500 vuotta sitten luokitteli maailmaa, hän asetti vettä vastaavaksi täydelliseksi muodoksi juuri ikosaedrin.

Myös monet virukset ovat ikosaedreja, mikä evoluutiobiologien mielestä viittaa veden merkitykseen elämän synnyssä.

Elämän biokemia pyörii veden varassa.Siksi mekin tarvitsemme sitä joka päivä. Ilman vettä elimistön nesteet väkevöityisivät, solujen toiminta jumiutuisi ja me kuolisimme.

Olet enimmäkseen vettä

Vesi on ihmisen tärkein rakennusaine. Se muodostaa elimistöstämme 60 prosenttia. Aivoista vettä on 80 prosenttia, verestä ja keuhkoista 90. Luistakin sitä on viidennes. Veden monia tehtäviä elimistössä on alettu ymmärtää vasta vähitellen. Ilman vettä ja vetysidosten sähkövarausta proteiinit eivät laskostuisi oikein. Dna:n emäsparit löytävät oikeat valkuaisaineet vesimolekyylien avulla. Vesi kuljettaa tarpeelliset ionit soluun.

Koska vesi osallistuu kaikkiin elollisen luonnon toimintoihin, eräät tutkijat ovat alkaneet puhua vedestä biologisena molekyylinä. Perinnäisen käsityksen mukaan se ei sellainen ole, sillä sitä ei hiilihydraattien, proteiinien ja rasvojen tavoin synny elimistössä. Katsoopa veden ansaitsevan "ylennyksen" tai ei, on tunnustettava, ettei mikään muu aine ole yhtä aktiivinen biologisissa prosesseissa. Toistaiseksi on kuitenkin selvittämättä, mikä veden asema on ollut elämän synnyssä, sillä ilman solun suojaa dna ja rna kestävät huonosti vettä.

Onneksi ei tarvitse kerätä

Vesimolekyylit ovat mahdottoman pieniä. Jos kaikki maailman ihmiset kokoaisivat niitä yhden kerrallaan yhteiseen as­tiaan kellon ympäri pyhät ja arjet, vuodessa vettä ei kertyisi edes puolta desilitraa.

Meistä tuntuu, että vettä on kaikkialla, mutta vesi on rajallinen luonnonvara. Jos kaikki maapallon vedet – meret, järvet, joet, jäätiköt ja ilmankos­teus – kerättäisiin yhteen, syntyisi pallo, jonka halkaisija on 1 385 kilometriä eli jotakuinkin matka Hangosta Nuorgamiin. Tilavuutta pallolla olisi noin 1,4 miljardia kuutiokilometriä.

Kun mukaan laskettaisiin vain juotavaksi sopiva makea­vesi, jota kaikesta vedestä on runsas kaksi prosenttia, halkaisija kutistuisi 270 kilometriin. Nyt pallo mahtuisi Helsingin ja Jyväskylän väliin.

Vesi voi tappaa

Kemistien mukaan myrkky on määrässä: kaikki on myrkyllistä, jos annos on liian suuri. Vesi muuttuu myrkyksi, jos sitä nauttii noin 10 prosenttia ruumiinpainosta. Aikuiselle miehelle reilu korillinen olutta riittää aiheut­tamaan vesimyrkytyksen. Oluesta 95 prosenttia on vettä, ja myrkytys syntyy, kun elimistöön kertyy vettä niin paljon, että aivot turpoavat ja joutuvat puristuksiin.

Vesimyrkytys johtaa harvoin kuolemaan, mutta ainakin Yhdysvalloissa ja Suomessa vedenjuontikilpailu on vaatinut uhrin. Myös amatöörijuoksijoiden tiedetään kuolleen siksi, että he ovat juoneet liikaa vettä suorituksen aikana.

Vesi tuottaa sähköä

Kylpyhuoneessa vesi ja sähkö ovat tappava yhdistelmä, mutta luonnossa vesi on merkittävä sähköenergian lähde. Suomessakin melkein joka viides watti saadaan vesivoimasta. Välillisesti vesi on välttämätöntä myös höyryvoimaloissa ja kenties tulevaisuuden polttokennoissa. Olisi outoa, jos veden kaltainen ihmeaine ei pystyisi parempaan.

Muutama vuosi sitten kanadalainen tutkijaryhmä osoitti, että pelkästä vedestä saa sähköä. Tutkijat tekivät halkaisijaltaan parisenttiseen lasilevyyn liki puoli miljoonaa reikää. Kun levylle valutettiin vettä, sen molemmille puolille muodostui vesikerros, jossa oli sähkövaraus. Yhdistämällä varaukset syntyi pieni sähkövirta. Tutkijoiden mukaan he olivat sitten 1800-luvun puolivälin ensimmäiset, jotka keksivät uuden sähkövirran lähteen.

Veden rakenne muuttuu olomuodon muuttuessa.Juoksevassa vedessä molekyylit asettuvat satunnaiseen järjestykseen, jäässä nemuodostavat säännöllisiä kuusikulmioita.

Jäätyy kuumassa, juoksee kylmässä

Normaalissa ilmanpaineessa vesi jäätyy, kun lämpötila laskee nollaan, mutta jos paine on pienempi, vesi voi vielä 0,01 asteen lämpötilassa olla yhtä aikaa nestettä, kaasua ja jäätä. Tällainen kolmen olomuodon tila eli kolmoispiste on monilla aineilla, mutta yleensä se vaatii syntyäkseen oloja, joita ei näe lähiplaneetoillakaan. Esimerkiksi yleisimpiin alkuaineisiin kuuluvan hiilen kolmoispiste on noin 4 700 asteen lämmössä ja satojen ilmakehien paineessa.

Veden kanssa liikutaan lähempänä. Kolmoispiste syntyy kutakuinkin Marsin oloissa. Suuremmassa paineessa vesi jäätyy vasta paljon kuumemmassa. On mahdollista, että satojen kilometrien syvyydessä Maan kuoren alla on jäätä sulan kiviaineksen seassa.

Teoriassa vesi kestää myös kylmempää kuin mikään muu aine. Kahdesti nobelilla palkittu kemisti Linus Pauling oivalsi aikoinaan, ettei­vät veden atomit pääse yhtä aikaa alimpaan mahdolliseen energiatilaan edes absoluuttisessa nollapisteessä, missä kaiken liikkeen pitäisi pysähtyä. Liike ikään kuin hyppää atomista toiseen, ennen kuin kylmä saa siitä otteen.

Lähimpänä tätä tilannetta meidän universumissamme on oltu 12 vuotta sitten Helsingin Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratoriossa, jossa lämpötila laski 0,000 000 0001 kelvinasteen päähän absoluuttisesta nollasta. Luonnontieteissä paljon käytetty kelvinasteikko alkaa nollasta, joka celsiusasteina tarkoittaa –273,15:tä astetta.

Pilvissä tonneittain

Pilviä pidetään kevyinä, mutta sitä ne eivät ole. Kuutiokilometri poutapilveä sisältää miljardi kiloa vettä. Keskimääräinen kesäpilvi painaa yhtä paljon kuin matkustajalentokone.

Pilvet eivät liioin ole vesihöyryä vaan pieniä pisaroita. Kun ne törmäävät toisiinsa ja yhdistyvät, ne muuttuvat sadepisaroiksi, jotka eivät enää leiju. Jos pilvipisara olisi yhtä suuri kuin piste tämän virkkeen lopussa, sadepisara olisi euron kolikon kokoinen. Pisarat eivät ole pisaranmuotoisia vaan muistuttavat litistyneitä palloja. Pisara näkyy vedessä vain silloin, kun se on tipahtamaisillaan jostain. Silloin pintajännitys luo tipan taakse hännän, joka kuitenkin häviää heti, kun pisara irtoaa.

Pilvilinnoja on katseltu sillä silmällä: veden voisi ehkä valjastaa energian tuotantoon. Pisaroista näet vapautuu sähkömagneettista säteilyä, joka on ainakin teoriassa muutettavissa sähkövirraksi. Tällöin vesi voisi olla pennejä taivaasta. Kun ilmakehän vesi viritettäisiin laserilla oikealle aallonpituudelle, se alkaisi luovuttaa fotoneja. Teorian mukaan sähköä saataisiin 20 kertaa enemmän kuin samankokoisesta aurinkopaneelista. Tämä on tietysti vielä pelkkää teoriaa ja saattaa jäädä sellaiseksi. Ilmakehä on epävakaa laitos, eikä vettä ole helppo pitää paikallaan.

Petri Forsell on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.