Contents
The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid, and Vapor
水の第4の相
固体、液体、蒸気を超えて
ジェラルド・H・ポラック（Gerald H. Pollack）
今まで読んだ科学書の中で最も面白い本だ。科学において真に新しいものを確立することがまだ可能であることを教えてくれた
シカゴ大学 Zhiliang Gong
今世紀で最も重要な科学的発見である。何よりも印象的なのは、（ポラックの）実験的アプローチの優雅な単純さである。多くの実験は台所のテーブルの上で行うことができ、結果を見るために顕微鏡を必要とすることさえないのである。
メーワン・ホー、『リビングレインボーH2O』著者、ロンドン科学社会研究所所長。
ポラック博士はこの分野のパイオニアの一人であり、彼の発見は重要な意味を持つことが期待される
ブライアン・ジョセフソン、ノーベル賞受賞者、ケンブリッジ大学。
革命的な洞察に満ちた素晴らしい資料だ。最も印象的なのは、実験が視覚的に即座に理解できることだ。
ヘルムート・ロニガー、コンサルティング医師
この1週間の慢性的な睡眠不足は、ポラックのせいだ。彼の本をむさぼり読んで、科学に対する全く新しい熱意を刺激された
ジェイソン・ギレン、マッサージセラピスト、シドニー・オーストラリア
私がこれまでに会った中で最も独創的な思想家だ
チャバ・ガランボス、コロラド大学
アインシュタインはポラックの足元にも及ばない。ポラックには、正しい問いをピンポイントで見つけ出し、シンプルなアイデアを把握する不思議な能力がある
T.C.ランドール大尉、著者、禁断の癒し。
これは新しい眼鏡を手に入れたようなものだ！ その明晰さには驚かされる チャールズ・カッシング、独立科学者
文句のつけようがない
ナイジェル・ダイアー、ウォーリック大学、英国
ダン・ブラウンの小説のように、ページをめくる手が止まらない。…この本は庶民的なスタイルで、とても人気が出ると思う
デビッド・アニック、ハーバード大学
第5章までで私は魔法にかけられた。最後まで、私はその意味するところに魅了され、科学の世界でもう一度やり直したい、この作品が形成した新しい道を歩みたいと思った
キャサリン・デヴェロー、科学ライター、カリフォルニア大学デービス校。
バランスと優雅さをもって、ポラックは水というレンズを通して物質に関する「統一場」のビジョンを提示することに最も近づいたように思う。
ジョン・フェローズ、インディペンデント・サイエンティスト
この驚くべき本は、私が知っていると確信していた水の中で起こっているすべてのプロセス、つまり私の長年の教育や研究編成を決定づけた理解について、私の理解を変えてくれた。私は今、水は物理学と化学が起こる単なる媒体ではなく、物理学と化学に力を与え、管理する機械であるという証明と折り合いをつけなければならない
マーティン・キャニー オーストラリア国立大学
すばらしい！ 最後の章を先に読んでほしい
モリー・マギー、ワシントン大学
不思議に思ったことはないだろうか…
コップの水の深さにはどんな謎が潜んでいるのだろう？熱いコーヒーから立ち上る水蒸気の雲は何から生まれるのだろう？空に浮かぶ白い雲は？ポップの泡はなぜ大きくなるのか？ゼリーの水分がにじみ出ないのはなぜ？凍ったものに舌がくっつくのはなぜ？関節はなぜ鳴らないの？
このような疑問が未解決のままであるのは、それが複雑であるというだけでなく、科学者が水研究という政治的にリスクの高い分野を追求しなければならないからだ。水の「社会的挙動」を理解しようとする科学者は、評判や生活に対する重大なリスクを背負ってそれを行っている。水に関する科学は、事実上、汚され、羽毛で覆われたようなものである。
しかし、そんな水科学の危機を乗り越え、慎重にコントロールされたシンプルな実験を何十回も行い、水の3次元構造と挙動について初めて首尾一貫した説明をする科学者がいる。
ポラック教授は、私たちを幻想的な水の旅に連れ出し、好奇心の強い人なら誰でも理解できるほどシンプルな答えを与えてくれる、物理的活動にあふれた隠れた宇宙を見せてくれる。ポラック教授は、会話形式の散文で、一部の科学者がビザンチン理論のどこで間違ったのかを容赦なく説明し、その代わりに、水の構造の変化が地球上の形と運動の最もエネルギッシュな変化の根底にあることを理解するためのシンプルな基礎を築いている。
本書は、私たちが目を開いて自然界を再体験し、何一つ当たり前のことをせず、物事を理解しようとする子供の頃の夢を再び呼び起こすよう、私たちに呼びかけているのである。
ポラック・ジェラルド・H・PhD
水の第四相．固体、液体、蒸気を超えて
ギルバート・リンに
細胞の中の水はコップの中の水とは違うと教えてくれた人
コップの中の水とは違うということを教えてくれた
その勇気は
インスピレーションを与え続けてくれた。
謝辞
この本の制作は、村に育てられた子供のように、多くの人々の緩やかなつながりの中で発展してきた
その最たるものが、私が水に興味を持つきっかけとなったギルバート・リン氏であることは間違いない。凌は時代の最先端を走ってきた。彼の先駆的な研究は、水が単に生命の共通分子を運ぶ背景的な存在ではなく、生命のあらゆるプロセスの中心的な担い手であるという認識を、多くの科学者の目に留まらせたのである。しかし、残念なことに、彼の多くの貢献は認識されることなく、科学の根幹に挑戦する姿勢は、彼をある種の除け者にしてしまった。1980年代半ばに初めてギルバート・リンに会ったときから、彼は私にインスピレーションを与え続けてきた。この本を作るきっかけを作った人がいるとすれば、それはギルバート・リンだ。
二番手。モスクワ大学のウラジーミル・ヴォエイコフ氏。ウラジーミルが知らない科学的テーマはほとんどなく、本書の考察の多くは、彼との会話から始まったと言わざるを得ない。彼の幅広い洞察力は、私の周辺視野を広げてくれた。また、サンクトペテルブルグのアパートに滞在していたとき、素晴らしいロシア料理の夕食を何度も作ってくれたことにも感謝している。ピルメニとウォッカの組み合わせは、創造的なニューロンを急速に活性化させ、それはおそらくシカゴまで伝わっていたことだろう。
本書の執筆にあたっては、主に3人の方にお世話になった。
一人目のブランドン・ライネスは、私たちが出会う前から協力してくれていた。ブランドンと私は、長年にわたって科学的な文通を楽しんでいた。彼が困難な問題を提起したとき、私は、近々出版される私の本の予備稿を読めば答えが見つかるかもしれないと提案した。ブランドンは、思い切って読んでみた。彼は、この本は良いことが多すぎると答えた。デザートにホット・ファッジ・サンデーが1つなら良いが、15個は誰にとっても消化するには多すぎるのだ。ブランドンの「料理」のおかげで、鳥の飛び方（あなたが思っているのとは違う）から、種の寿命が数日から数千年に及ぶ理由まで、さまざまな章が割愛されることになった。これらのテーマや他のさまざまなテーマは、次の本のためにとっておくことにする。ブランドンは、各章の内容を読者にわかりやすくまとめたり、あくびが出ないような見出しをつけたり、数え切れないほどの工夫をしてくれて、本当に助かった。これらすべてについて、私（そして読者）は彼に大きな感謝の念を抱いている。
2つ目は、アーティストである私の息子、イーサン・ポラックである。4歳ですでにスケッチをしていたイーサンは、シラキュース大学で彫刻を学び、フィレンツェで腕を磨き、ニューヨークで世界的なアーティスト、ジェフ・クーンズに師事し、そしてついにシアトルに戻ってきたのである。彼との仕事は、本当に楽しいものだった。イーサンは、関連する科学的概念への深い理解、高い感受性、並外れた創造性、細部への強いこだわり、そしてプロジェクト全体の成功に対する絶え間ない献身を示してくれた。もし、この本のコンセプトが明確で魅力的なものであれば、イーサンは感謝すべき人物である。
最後に、編集者のドン・スコットに感謝する。ドンは私が知る限り、最も明晰な人物の一人である。哲学者であり、弁護士でもあるドンは、言葉に対する特別なコツをもっている。私が言いたいけれども、どうしたらいいのかわからないことを、一貫して言い当てることができるのである。そして、私が考えていた不器用なフレーズを、ニュアンスのある表現に置き換えて提案してくれた。そして、自分の専門外のことでも、論理のズレを見抜く不思議な力を発揮してくれた。もし、曖昧な部分が残っているとすれば、それは私が彼の助言を頑なに無視したせいかもしれない。
そのほかにも、3人の査読者がいて、そのうちの1人は私の研究室のスタッフだった。研究室のメンバーは、この本のどの部分に同意できないかを、恥ずかしげもなく私に教えてくれた。何人かは、私の異端的な提案に不快感を示していた。彼らの鋭い指摘は、ランチタイムのフィードバックセッションやテキストへの注釈を通じ、最終稿、特に難解な章の一部を再構築するのに役立った。もちろん、彼らの多くの実験的貢献が、この本全体の骨格を形成していることは言うまでもない。
学部生からも同様に有益なフィードバックがあった。この研究室には、かなりの数の学部生がボランティアで研究に来ている。私たちがおもちゃを提供し、彼らは想像力を駆使して、科学的な「大人」が思いつかないような実験を追求するのである。私たちがおもちゃを提供すると、彼らは想像力を働かせて、大人には思いもよらないような実験をしてくれる。その中には、まったく予想もしなかった結果や、ブレイクスルー成果を挙げたものもある。本書は、それらの成果を詳細に紹介する。実験的な貢献だけでなく、多くの学部生が何度もこの本を読み、批評してくれたことに心から感謝している。
この2組の校閲者以外にも、世界中の多くの同僚がこの原稿の初期ドラフトを批評してくれた。化学者、物理学者、エンジニアから生物科学者、さらには一握りの非科学者まで、さまざまな人が参加してくれた。何時間も費やしてくれた人もいた。彼らのアドバイスは、私が大きく道を踏み外すことを防いでくれた。また、資料を整理するのにも役立った。この作業は、皆さんが想像するほど簡単なものではない。各章が1冊の本になることもあり、読みやすさと長さの適切なバランスを決めるのは難しい作業だった。
まったく別の理由で、私は家族に感謝する。生涯の伴侶であるEmily Freedmanに、公開告白をする。私は前著で約束した、「次の本はもっと短く、時間をかけずに」という言葉を破ってしまった。この本は長くなり、さらに2冊の本が出版される予定である。エミは、このような大規模なプロジェクトで要求される消費的な要求を、例外的に理解してくれている。彼女は天使のような忍耐強さを持っている。他の家族も同じようにサポートしてくれている。イーサンは、常に明るい態度で、私の作品修正の要求に快く応えてくれた。そして、どんな質問にも「構造化された水」と答える私の性格を、いつまでも面白がってくれるセス。私の家族は、この複数年にわたる努力において、これ以上ないほど協力的だった。
最後に、この原稿やその一部を批評してくださった方々を列挙したいと思う。このリストには、学生、研究員、科学者、そして何人かの一般人が含まれている。そのため、アルファベット順に掲載し、もしお名前が漏れている方がいらっしゃいましたら、お詫び述べる。
以下の方々に感謝する。Peter Allen, Brandon Bowman, Brian Biccum, Frank Borg, Binghua Chai, Ruying Chen, Daniel Chiang, Chi Chuang, Cara Comfort, Charles Cushing, Ronnie Das, Ken Davidson, James deMeo, Aparajeeta Duttchoudhury, Nigel Dyer, Collin Eddington, Xavier Figueroa, Herb Fleschner, Ben Flowers.Com, Emily Freedman, Gonzalo Flower, Grayer Fleschner, Ben Flesnier, Ruying Chean、Black Borg エミリー・フリードマン、ゴンザロ・ガルシア、カール・ガテラー、マシュー・ゲルバー、クリスタル・ギンター、マティアス・ゴンザレス、ロン・グリフィン、ジョン・グリッグ、ザナ・グリゴリアン、エマニエル・ヘブン、メワン・ホー、アリー・ホロウィッツ、リンダ・ハフナゲル、ブリーナ・フシュカ、ジョン・ファン、フェデリコ・イエンナ、石渡浩正、テンギス・ジャリアシヴィリ。マナール・ジュマイレ、コンスタンチン・コロトコフ、イーサン・クン、カート・クン、ビクター・クズ、アリシア・レトルノー、ジェン・リー、モリー・マクギー、リオル・ミラー、フランチェスコ・ムスメチ、カイリー・ヴァン・グエン、デレク・ニャン、ガブリエル・パティエラ、バーナード・ペノック、アリ・ペンティーラ、オリオン・ポリンスキー、イーサン・ポラック、セス・ポラック、シルビア・ポラック。Leo Ramakers, Randy Randall, Sudeshna Sawoo, Rainer Stahlberg, Clint Stevenson, Heather Swain, Masaaki Takarada, Shrutee Tandon, Yolene Thomas, Tony Thomson, Merry Toh, Gerard Trimberger, Karoly Trombitas, Outi Villet, Vladimir Voeikov, Jacob Woller, Jeff Yang, Hyok Yoo, そして、Rolf Ypma. このうち、Cara Comfort、Charles Cushing、Rolf Ypmaの3名は、並外れた時間と労力を費やしてくれた。
最後に、レイアウトに工夫を凝らし、細部にまで気を配ってくれたアマンダ・フレデリクスと、索引に細心の注意を払ってくれたロルフ・イプマに感謝する。
この本の制作には、思いやりと気遣いのある多くの人々の力を結集する必要があった。協力いただいたすべての方々に、心より感謝述べる。
目次
- 謝辞
- 序文
- ベスティアリ
- 第1部 水のなぞなぞ道を切り開く
- 1. 謎に包まれて
- 2. H2Oの社会的行動
- 3. 界面水の謎
- 第2部 隠された水の営み
- 4. 水の第4の相？
- 5. 水から作る電池
- 6. 水電池の充電
- 7. 水自然界のエンジン
- 第3部 水を動かすものは世界を動かす
- 8. 万有引力
- 9. ブラウンのダンスエネルギー駆動型ムーブメント
- 10. 熱と温度熱の暗黒に新たな光を投げかける
- 11. 浸透と拡散。浸透と拡散：起こるべくして起こった現象
- 第4部：自然界の水性体
- 12. プロトン水の力
- 13. 水滴と気泡。水の兄弟姉妹
- 14. バブルの誕生成熟への道
- 15. コーヒーから生まれる雲蒸発の不思議な性質
- 16. ウォータートランポリン水面上の層状構造
- 17. 氷を温める
- 第5部：総括 地球の神秘を解き明かす
- 18. 自然界の秘密のルール
- 参考文献
- 写真クレジット
- 用語集
- 索引
- 追加コンテンツ
序文
私の居間に、ノーベル賞受賞者が座っていた。彼は内気で、私は威圧的だった。この組み合わせは気まずさを生むに違いない。アインシュタインと世間話をするようなものだ。なんて言うんだ？
アンドリュー・ハクスリー卿は、ノーベル賞受賞者の中のノーベル賞受賞者であった。彼はすでに細胞膜に関する古典的な研究を行っており、私たちが会った時には、筋収縮の分野ではリーダーになっていた。王立協会会長、ケンブリッジ大学トリニティ・カレッジのマスター、英国女王からメリット勲章を授与されるなど、多くの栄誉に浴している。彼はまた、伝説の生物学者トーマス・ヘンリー・ハクスリー（「ダーウィンのブルドッグ」）や先見の明のある作家オルダス・ハクスリーを輩出した名門ハクスリー家の一員でもあった。その高貴な科学貴族が、私の粗末な居間に座っていたのである。
そのような気まずい雰囲気の中、誰もこの部屋の中の象のような存在について言及することはなかった。彼は、私の研究室で先に行われた私たちの証拠を確認するために来たのだ。しかし、私の居間では、その茨の道を完全に避け、代わりに天気などの切実な問題に焦点を当てた。シェリー酒を何杯か飲んで社会的な潤滑油にしたとはいえ、この話を切り出すのは大変なことだった。
ハクスリーのような偉大な人物は、一見すごいように見えるが、どんなに有名な科学者でも人間であることを忘れがちである。私たちと同じものを食べ、同じような情熱を持ち、同じような人間の欠点がある。だから、彼らの洞察力に驚嘆し、その貢献に敬意を払うことはあっても、その貢献を完璧なもの、絶対的なものとして扱う必要はない。
科学的定式を神聖視することは重大な誤りである。そうでなければ、M.C.エッシャーの描いた「微妙な不可能性」のようなものが完成してしまいかねないからだ。長い間使われてきたモデルであっても、単純で納得のいく理解をもたらすことができなければ、脆弱なままである。ガリレオの話は、確立された基礎が経験的観測と一致するために精巧な「エピシクル」の支援を必要とするとき、より単純な基礎を探し始めるべき時であることを教えている。
本書は、水に関する新しい科学のための信頼できる基礎を築こうとするものである。その基礎は、最近の発見に由来する。この新しい基礎の上に、私たちは予測力のある理解の枠組みを構築する。そして、この新しい枠組みを構築する過程で、4つの新しい科学的原理が生まれる。この原理は、水を超えて自然界全体に適用できるかもしれない。
このように、私が取るアプローチは型破りである。また、現在のすべての基本原理を本質的に有効なものとして反射的に受け入れるわけでもない。その代わりに、一般的な観察、単純な論理、そして化学と物理の最も基本的な原理に基づいて理解を深めるという、科学の根本的な方法に立ち戻るのである。例えば、熱いコーヒーから立ち上る水蒸気を観察すると、実際に水蒸気の雲が見える。このことは、蒸発過程の本質について何を教えてくれるのだろうか？一般的な基礎原理は、あなたが見たものを十分に説明できるのだろうか？それとも、別のところに目を向けなければならないのだろうか？(第15章を読めば、私の言っていることがわかるだろう）。
このような古風なアプローチは、科学の「神々」に敬意を払わないため、少々不遜に映るかもしれない。しかし一方で、このアプローチは、自然を直感的に理解する、つまり素人でも理解できるような理解を得るための最良の道筋を示すものであると私は信じている。
私は、革命家として人生をスタートしたわけではない。実は、私はごく普通の人間だった。電気工学の学部生だった私は、きちんとした服装で授業に出席し、きちんとした敬意を払っていた。パーティーでは、同級生と同じようにネクタイを締め、ジャケットを着ていた。まるで、老婦人の裁縫サークルのメンバーのように、革命的だった。
ペンシルバニア大学の大学院で初めて、革命の種を植えつけられた。当時、私が専攻していたのは生体工学である。工学というのはどちらかというと地味なものであるが、生物学というのはいい意味で期待を裏切ってくれるものである。生物学は、ダイナミズムと未来への期待に満ちた、まさに「ハプニング」の場と思えた。とはいえ、生物学の教授たちは、私たちのような学生が将来、科学的なブレークスルーを生み出すかもしれないなどとは一言も言ってくれなかった。私たちの仕事は、既存の骨格に肉付けをすることだった。
そんな風に思っていたのであるが、ある時、同僚が赤信号を点滅させたのである。岩泉辰夫は、私が博士課程を修了する間際にペンシルベニア大学にやっていた。私は、ハクスリーモデルに基づく心収縮の原始的なコンピュータシミュレーションを構築しており、岩泉は私の足跡をたどることになったのである。しかし、岩泉は「あり得ない」と言い切った。岩泉は、私が知っている多くの日本人に見られるような紳士的な態度はなく、私のシミュレーションは価値がない、筋収縮の定説に基づいている、その定説のメカニズムが働くはずがない、とはっきり言い切った。「そのメカニズムは、本質的に不安定なんだ」「もし、本当に筋肉がそのように働くのであれば、最初の収縮の時にバラバラになってしまうだろう」
おおっ！ハクスリーの筋肉理論に真っ向から挑戦？まさか。
岩泉は、東大、マサチューセッツ工科大と学歴は申し分ないが、あのハクスリーには勝てないようだ。そんなノーベル賞受賞者が、どうしてこんなにも大きな間違いを犯してしまったのだろう。このような賢人が発表する科学的な仕組みは、教科書に載っているような真実であると理解していたのに、この生意気な日本の若い工学部生が、この真実は間違っているどころか、あり得ないと言っているのだ。
しかし、岩泉の主張には説得力があり、明快で、論理的で、単純であることを認めざるを得なかった。私の知る限り、この主張は今日に至るまで反論の余地はない。初めて聞いた人は、すぐにその論理を理解し、ほとんどの人がそのシンプルさに驚かされる。
私にとっては、これが転機となった。論理的な議論は、多くの信奉者に支えられた長年の信念体系に打ち勝つことができるのだ、ということを教えてくれた。一度反証されれば、その理論は終わりだ。信念体系は永遠に失われたのだ。そのような信念を持ち続けることは、科学ではなく、宗教の信奉に等しい。岩泉との出会いは、自立して考えることが単なる決まり文句ではなく、真理を探究するために必要な要素であることを私に教えてくれた。実際、アンドリュー・ハクスリー卿との筋収縮論争（結局、解決しなかったが）には、まさにこの材料が必要だったのだ。
慣習に挑戦することは、決してバラ色のベッドではない。科学の権威は、古い考え方に新しい光を当てるような新鮮なアプローチを温かく受け入れると思うかもしれないが、たいていの場合、そうではない。新鮮なアプローチは、一般的な常識に挑戦するものである。そのような挑戦は自分たちの地位を脅かすので、旗を掲げている科学者たちは防衛的に反応しがちである。その結果、挑戦者の道は危険なものとなり、危険な曲がり角がたくさんあり、手ごわい障害物が散乱している。
しかし、私はそのような状況にもかかわらず、何とか生き延びていた。不遜な態度と堅実な科学、さらには従順さを微妙にバランスさせることで、私はほとんど無傷で押し通すことができたのである。私たちの課題は明白だったが、私たちは印象的な技術を開拓し、私の教え子たちは世界中で良い仕事に就くことができ、中には学問の最高レベルにまで上り詰めた者もいる。そのおかげで、多くの挑戦者にありがちな末期的な運命から解放された。
キャリアの中盤になると、私の興味はどんどん広がっていった。科学的な領域を広く嗅ぎ回るうちに、あちこちでネズミの臭いがするようになった。矛盾も多い。筋収縮の分野と同じように、自分の分野の常識に疑問を投げかける人たちもいた。
そのひとつが、本書のテーマである「水」の分野である。当時、最も注目されていた挑戦者は、ギルバート・リン氏であった。彼はガラス電極を発明し、細胞電気生理に革命をもたらした。しかし、その成果は、細胞内の水分子が整然と並んでいることを伝え始めた。このような秩序は、多くの生物学・物理学の科学者にとって忌み嫌われるものであった。リン博士は、自分の結論を、特にそうではないと考える人々に対して、恥ずかしげもなく放送したのである。
そのため、このような異端を声高に叫ぶことで、凌駕していったのである。伝統的な考え方をする科学者たちは、彼を挑発者とみなし、非難した。私はそうは思わない。彼の細胞水に関する考え方は、岩泉の筋収縮に関する考え方と同じように、健全なものだと思ったからだ。しかし、全体としては、根拠があり、論理的であり、しかも、その範囲が広い。私の大学でも、凌を招いて講演をしてもらったことがある。その時、先輩から「考え直した方がいい」と言われた。表向きは父親のような口調で、物議を醸すような人物を後援することは、私自身の評判を取り返しのつかないほど落とすことになると警告されたのだ。私は危険を冒したが、その警告の意味はまだ残っていた。
しかし、その警告の意味はまだ残っていた。挑戦者がなぜこのような目に遭うのか、その理由がわかってきた。それが、挑戦者を苦しめる。そして、一般的に言われている以上に、挑戦は当たり前のことなのだということも分かってきた。水や筋肉の分野だけでなく、神経の伝達から宇宙の重力に至るまで、さまざまな分野で異論が聞かれるようになった。調べれば調べるほど、発見がある。注目されたいと願う変人たちの薄っぺらい挑戦ではなく、思慮深いプロの科学者たちの有意義な挑戦のことである。
科学には深刻な問題が山積している。つい最近まで私がそうであったように、皆さんはこれらの課題に気づいていないかもしれない。なぜなら、これらの課題はしばしばレーダーの下に隠されているからだ。というのも、そのような課題は、レーダーの届かないところに置かれることが多いからだ。各組織は、自分たちの鎧の欠点をさらけ出してもあまり利益がないと考えているので、課題は放送されない。各分野に入った若い科学者でさえ、自分の分野の正統性が四面楚歌であることを知らないかもしれない。
このような挑戦は、予想されるパターンに従って行われる。理論が複雑化し、観測結果との不一致に悩む科学者が立ち上がり、問題点を発表する。その発表には、しばしば代替理論が伴う。その発表には、しばしば代替となる理論が提示される。体制側は通常、その挑戦を無視することで対応する。このため、ほとんどの挑戦は、無名の地下室で腐敗する運命にある。権威者たちは、軽蔑と蔑みをもって挑戦者を排除し、しばしばその哀れな人物を複数の精神異常で告発するのである。
その結果、科学は現状を維持することになるのは予想できる。大したことは起こらない。がんは治らない。科学の建造物は、風化し、時には崩れかけた土台の上で成長し続け、煩雑なモデルや、無数の、時には取るに足らない詳細で満たされた、ますます分厚い教科書を生み出しているのだ。中には、あまりに複雑すぎて、事実上理解不能になっている分野もある。多くの場合、私たちは関連づけることができない。多くの科学者は、それが現代科学のあるべき姿だと主張する。複雑で、人里離れた、人間の経験とはかけ離れたものだからだ。彼らにとっては、因果関係の単純さは過去のものであり、現代の複雑な統計的相関関係に取って代わられた趣のあるものなのである。
私は、リチャード・ファインマンの量子電気力学に関する著書『QED』を読んで、私たちが科学の複雑さを受け入れていることを知った。ファインマンは物理学の伝説的人物であり、20世紀末のアインシュタインであると多くの人が考えている。ファインマンの本の2006年版の序文で、著名な物理学者が、「おそらく理解できないだろうが、とにかくこの本は重要だから読むべきだ」と述べている。私はこの言葉に軽い違和感を覚えた。しかし、ファインマン自身が「はじめに」で述べていることほど、不快には感じなかった」理解できないからと目を背けないように説得するのが私の仕事である。あなたは、私の物理学の学生もそれを理解していない参照してほしい。それは私がそれを理解していないためだ。誰もわからないのである。”
あなたが手にしている本は、現代科学は人間の理解を超えたところにあるに違いないという考え方に挑戦するアプローチをとっている。私たちはシンプルであることを目指する。もし、現在受け入れられている科学の正統な原理が、日常の観察を容易に説明できないのであれば、私は「王様は服を着ていない」と宣言する用意があるのである。その基礎となる原理は、偉大な科学者たちによってもたらされたものかもしれないが、私たちは、新しい基礎がより良く機能する可能性を否定することはできないのである。
私たちの目標は、水を理解することである。今の水は複雑である。日常的な現象の理解には、複雑なねじれや非直感的な展開が必要なことが多いのであるが、それでも納得のいく理解には至らないのである。このような複雑さの原因は、現在の基礎的な基盤にあると思われる。つまり、様々な分野から集められた長年の原則のアドホックな集合体である。水の研究から生まれた、より適切な基盤があれば、よりシンプルな理解が得られるかもしれない。それが、私たちの目指す方向である。
この本は、科学者でなくても、科学の原始的な知識を持っている人なら誰でも読めるように作られている。プラスがマイナスを引き寄せるということを理解し、周期表を聞いたことがある人なら、メッセージを受け取ることができるはずだ。一方、現在のドグマに真剣に疑問を投げかけるものを鼻で笑うような人は、このアプローチを不愉快に思うだろうし、この本自体が挑戦の糸を織りなしているからだ。この本は型破りで、蒸し暑いシーンや予想外の展開に満ちたサーガであり、そのすべてが満足できるものであり、おそらく読んでいて楽しいとさえ思っていただければと思う。
引用は、どうしても必要と思われる場合に限っている。一般に知られていることや簡単に入手できることは、省略した。読みやすくするために、文章をスリム化することが最大の目的であった。
最後に、ここで紹介するすべての考え方が、必ずしも真実であるとは思っていないことをお断りしておく。推測の域を出ないものもある。確かに、SFではなく、サイエンス・ファクトを目指したつもりである。しかし、存知のように、たった一つの醜い事実が、最も美しい理論を崩壊させることがある。本書の内容は、入手可能な証拠を集めて一貫した解釈の枠組みを作ろうとする、私の精一杯の、そして最も真剣な試みである。この枠組みは型破りなものであり、一部の科学者がすべての側面に同意しないことはすでに承知している。とはいえ、これは、ほとんど存在しない理解を生み出そうとする誠実な試みなのである。
私たちは、この濁った水の中に飛び込み、必要な透明性を得ることができるかどうかを見てみたいのである。
GHP
2012年9月シアトル
発見とは、誰もが見たことのあるものを見て、誰も考えたことのないことを考えることである
アルバート・セント=ギョルギ ノーベル賞受賞者（1893年～1986）
神秘的な水域に潜む生物種を紹介する読者ガイド
水分子（WATER MOLECULE）
2個の水素原子と1個の酸素原子からなる、身近な水の分子。
バルク水（BULK WATER）
水分子の標準的な集合体で、その配置についてはまだ議論がある
排除層(EZ)
水中物質の隣にある、予想外に広い水域のことを「排除層（EZ）」と呼ぶ。EZは多くの電荷を含んでおり、バルク水とは性質が異なる。水の第4の相と呼ばれることもある。
電子と陽子
電子と陽子は、電荷の基本単位である。一方が正で他方が負であるため、互いに引き合う。電子とプロトンは、水の挙動において中心的な役割を果たしており、その役割は想像以上に大きい。
水分子の電荷
水の分子は中性である 酸素はマイナス 2の電荷を持ち、水素原子はプラス 1の電荷を持っている
水素イオン
プロトンは水分子にひっついてヒドロニウムイオンを形成する。正電荷を帯びた水分子を想像すると、ヒドロニウムイオンができあがる。ヒドロニウムイオンのような電荷を帯びた種は移動性が高く、多くの破壊を引き起こす可能性がある。
界面電池
この電池は、排除層とその先のバルク水層で構成されている。この電池は、通常の電池と同様に、それぞれのゾーンが反対に充電され、分離が維持される。
ラジアントエナジー（RADIANT ENERGY）
放射エネルギーは電池を充電する。太陽やその他の放射性物質から得られるエネルギー。水はこれらのエネルギーを吸収し、バッテリーを充電するために使用される。
ハニカムシート
ハニカムシートは、EZの一体型構造体である シートが素材表面に平行に積み重なり、EZを構成する
氷
氷の原子構造は、排除層の原子構造に酷似している。この類似性は偶然の一致を超え、一方は他方に容易に変容する。
水滴
水滴は、バルク水を包むEZシェルから構成されている この2つの成分は反対の電荷を持っている
気泡
気泡は水滴と同じ構造をしているが、内部がガス状になっている 一般的には水蒸気である
気泡
飛沫と気泡は同じような構造をしているため、ここでは一般的なラベルであるベシクルを導入する。ベシクルは、内部の水の相によって、飛沫にも気泡にもなる。飛沫が十分なエネルギーを吸収すると、気泡になることもある。
第1部 水のなぞなぞ
道を切り開く 謎に包まれた水
ビーカーを手にした2人の生徒が、思いがけないものを見せようとホールを駆け抜けていった。しかし、その結果は、私が見る前に消えてしまった。しかし、それは偶然の産物ではない。翌日、その現象は再び現れ、生徒たちが興奮した理由が明らかになったのである。
水は地球の大部分を覆っている。地球の大部分は水で覆われ、空は水で覆われている。そして、あなたの細胞も水で満たされている。しかし、水の分子は非常に小さく、体内の分子をひとつひとつ数えると、その99%は水の分子である。3分の2の体積を構成するために、それだけの水分子が必要なのである。あなたの足は、ほとんどが水分子の巨大な袋を持ち歩いているのである。
その水分子について、私たちは何を知っているのだろうか？しかし、ビーカーの中にあるような大きな水分子の集合体にはあまり興味がない。むしろ、1つの分子とその近傍の分子に焦点を当て、目に見える大きな現象に外挿しようとしているのである。つまり、水の分子がどのように社会的な振る舞いをするのか、ということを理解しようとするのである。
では、本当に水の社会的な振る舞いは理解できているのだろうか？
水はどこにでもあるものだから、私たちは完全に理解していると考えるのが妥当かもしれない。しかし、そのような思い込みを裏切ってはいけない。以下に、日常的に行われている観察、および実験室での簡単な観察を紹介する。これらを説明できるかどうか試してみてほしい。もしできたなら、私の負けだ。この本を読むのをやめてもいい。もし、豊富な情報源を駆使しても説明がつかないのであれば、私たちが水について知っていることはすべて知っているという前提を考え直していただきたい。
私は、そうではないと思う。さて、あなたはどうするか。
日常的な不思議
ここに15の日常的な観察がある。あなたは説明できるだろうか？
- 濡れた砂と乾いた砂乾いた砂に足を踏み入れると深く沈むが、水辺の湿った砂はほとんど沈まない。湿った砂は、頑丈なお城や大きな砂の彫刻を作ることができるほど固い。水が接着剤になっているのである。では、水はどのようにして砂の粒子を接着しているのだろうか？(その答えは、第8章で明らかになる）
- 海の波。通常、波は比較的短い距離を進むと消滅する。しかし、津波は地球を何周もした後に消える。なぜ、このように長い距離を移動するのだろうか。(第16章参照）
- ゼラチンのデザートゼラチンのデザートは、ほとんどが水分である。水分が多いのだから、水分が漏れてもいいはずだ（図11）。しかし、全く発生しない。99.95%が水であるゲルでさえも、液ダレは見られない1。なぜ、水が漏れないのだろうか？(第4章と第11章を読んでほしい）。
図1.1 ゼリーから水が滴り落ちないのはなぜ？
【原図参照】
- 紙おむつ。紙おむつは、ゼリーと同じようにたくさんの水をためることができる。尿の重さの50倍以上、純水の重さの800倍以上である。どうしてそんなに水をためることができるのだろうか？
- 氷の滑りやすさ通常、固体はそう簡単にすべらない。坂道で靴を履いた状態を思い浮かべてほしい。坂道で靴を履くと、摩擦で滑らない。しかし、坂道が凍っていれば、転ばないように細心の注意を払わなければならない。なぜ、氷は他の固体と違うのか？
- 腫れあなたの友人がテニスの試合中に足首を骨折した。彼女の足首は、2,3 分で通常の2 倍に膨れ上がった。なぜこんなに早く水が傷口に流れ込むのだろうか？(第11章に答えがある）。
- 温水が凍るある中学生が調理実習で奇妙なことに気づいた。粉末のアイスクリームミックスから、冷水の代わりに温水を加えると、より速く凍ったお菓子を作ることができたのである。この逆説的な観察は有名になった。どうして冷たい水より温かい水の方が早く凍るのだろうか？ 第17章参照）。
- 上昇する水葉っぱはのどが渇いている。草木は蒸発によって失われた水を補うために、根から細い柱を伝って上へ上へと水が流れていく。一般的に言われているのは、水柱の先端が、下にある水を上に引き寄せる力を発揮している、というものだ。しかし、高さ100mのアカギの場合、毛細管に溜まった水の重みで柱が折れてしまう。一度折れてしまうと、もう根から水を汲むことはできない。では、自然界はどのようにしてこの事態を回避しているのだろうか。(第15章を参照）。
- コンクリートを割る。コンクリートの歩道は、木の根の上昇気流で割れてしまうことがある。根は主に水でできている。水を含んだ根が、どうしてコンクリートを割るほどの力を発揮できるのだろうか。
- 表面上の水滴。水滴は、ある面では数珠つなぎになり、ある面では広がっていく。実はこの広がり具合で、様々な表面を分類することができるのである。しかし、水滴がなぜ広がるのか、どこまで広がるのかは、分類だけでは説明できない。水滴はどのような力で広がっていくのだろうか？
- 水の上を歩く池の上を歩く「イエス・キリスト」トカゲの動画を見たことがあるかもしれない。トカゲは、端から端までぴょんぴょん跳ねる。水の表面張力が高いというのは、もっともらしい説明として思い浮かぶが、もし表面張力が上位数層の分子だけに由来するのであれば、その張力は弱々しいはずだ。しかし、もし表面張力が分子層の上部にのみ由来するのであれば、その張力は弱いはずだ。(第16章を読んでほしい）。
- 孤立した雲。水蒸気は、海の水の広大な範囲から、途切れることなく上昇している。その水蒸気はどこにでもあるはずだ。しかし、澄み切った青空に、白い雲がぽっかりと浮かぶことがある(図12)。では、どのような力が、拡散していく水蒸気を特定の場所に向かわせるのだろうか？(8章と15章で考察する）。
図1.2 上昇する水蒸気を特定の場所に向かわせる力とは？
【原図参照】
- 関節の軋み。膝を深く曲げても、一般に関節が軋むことはない。それは、水が骨と骨の間（実際には、骨と骨の間にある軟骨の層）の潤滑に優れているからだ。では、そのわずかな摩擦は、水のどのような特性から生まれるのだろうか。(第12章を見てほしい）
- 氷は浮く。ほとんどの物質は冷やされると収縮する。水も同様で、4℃までは収縮する。臨界温度以下では、水は膨張し始め、氷になると非常に大きくなる。だから、氷は浮くのである。4℃の何が特別なのか、なぜ氷は水よりはるかに密度が低いのか（第17章でお答えす）。
- ヨーグルトの粘り気ヨーグルトは、なぜ固いのだろうか？(第8章参照）。
実験室での不思議
次に、実験室での簡単な観察について考えてみる。まず、廊下を急いで歩いている学生たちが、自分たちが見つけたものを私に見せようとするのを見たものから始める。
(i)移動する微小球の謎
学生たちは簡単な実験をしていた。水の入ったビーカーに、「ミクロスフェア」と呼ばれる小さな球体を大量に入れた。そして、ビーカーに蓋をして蒸発を防いだ後、帰宅して一晩寝た。そして、翌朝、家に帰ってから、その結果を調べた。
ビーカーの底に沈殿が生じただけで、何も起こっていないはずだ。まるで、水に牛乳を注いで激しく揺すったように、一様に濁っているはずだ。
この懸濁液は、ほとんどの場合、一様に濁って見えた。しかし、ビーカーの中央付近（上から見たところ）には、不思議なことに、上から下に向かって透明な円柱が形成されていた（図13）。透明ということは、その円筒の中には微小球が入っていないことを意味する。何らかの不思議な力によって、ビーカーの中心から外周に向かって微小球が押し出されたのである。2001年宇宙の旅」をご覧になった方なら、完璧な一枚岩を見たときの猿人の驚きがお分かりいただけると思う。これはすごいことなのだ。
図1.3 微小球懸濁液の中心付近の透明部分なぜ、球のない円柱が自然に出現するのか？
【原図参照】
初期条件を一定に保つ限り、この透明な円柱は安定して現れ、何度でも作り直すことができた2。問題は、球体が中心から離れるという直感に反する動きをするのはなぜか、ということだ（第9章で説明する）。
(ii) 水でできた橋
もう一つの不思議な実験現象、いわゆる「ウォーターブリッジ」は、2つのガラスビーカーの間の隙間を横切って水をつなぐものである。ウォーターブリッジは、100年以上前からある不思議な現象であるが、エルマー・フックスと彼の同僚たちは、現代的な現象を開拓し、世界中の人々の関心を集めている。
まず、2つのビーカーに水を満たし、唇を接触させて並べる。それぞれのビーカーに電極をつけ、10kV程度の電位差をつける。するとたちまち、一方のビーカーの水が縁に飛び出し、もう一方のビーカーに橋渡しされる。ブリッジが形成されると、2つのビーカーをゆっくりと分離させることができる。ブリッジは壊れることなく伸び続け、唇が数センチ離れてもビーカー間の隙間を埋めることができる(図14)。
図1.4 ウォーターブリッジ
水でできた橋が、水で満たされた2つのビーカーの間に架かっている。何が橋を支えているのだろうか？
驚くべきことに、室温で実験しているにもかかわらず、水橋はほとんど垂れ下がることなく、まるで氷のように硬いのである。
感電に強い人以外は、この高電圧の実験を繰り返さないように注意してほしい。この驚くべき現象は、ビデオで見るのがよいだろう。
(iii) 浮遊する水滴
水は水と瞬時に混ざり合うはずだ。しかし、水を張った皿の上に細い筒を置き、そこから水滴を放出すると、水滴はしばらくの間、水面に浮き、溶解することがある（図15）。時には、数十秒間も飛沫が存在し続けることもある。さらに逆説的なことに、水滴は単体で溶解するのではなく、水面下のプールに何度も噴出しながら溶解する3。
図1.5 水滴は水面にしばらく留まっている なぜだろう？
【原図参照】
水滴の浮遊は、自然界でも見ることができる。雨が降った直後、岩棚から水たまりに、ヨットの砲台から湖面に、水滴が落ちるときがよいだろう。また、雨粒が直接地下水に触れて浮くこともある。もし、水と水が自然に混ざり合うのであれば、どのような特徴が自然の合体を遅らせるのだろうか、というのが明白な疑問である。(第13章と第16章を見よ）。
(iv) ケルビン卿の放電
最後に、図16に、もう一つの首をかしげるような観察結果を示す。逆さボトルや普通の蛇口から汲んだ水は、2つの枝に分かれる。水滴はそれぞれの枝から落ち、金属製のリングを通過して金属製の容器に落つ。リングと容器は、図のように電線で結ばれている。金属製の球体は、それぞれの容器から金属製の支柱を通して、球体同士の間に数ミリの隙間を空けて、互いに向かい合うように突き出ている。
図1.6 ケルビンの水滴の実験。水位が上がると高電圧の放電が発生する なぜ、このようなことが起こるのだろうか
【原図参照】
ケルビン卿が考案したこの実験では、意外な結果が得られる。水滴が十分下に落ちたところで、パチパチという音が聞こえ始める。そして、その直後、隙間に放電が起こり、パチンと音がする。
放電は、2つの容器の間に大きな電位差がないと起こらない。その電位差は、隙間の大きさにもよるが、簡単に10万ボルトに達する。しかし、その電位差をつくるために必要な電荷の分離は、1つの水源から発生する。
このようなエキゾチックな装置を家庭で作ることは可能だが（注2）、放電の様子をビデオで観察することはもっと簡単である。その好例が、ウォルター・ルイン教授（注3）が制作したビデオで、MITの新入生を前に放電を実演している。そして、この現象を説明するように宿題として学生たちに呼びかける。たった1つの水から、どうしてこのような大規模な電荷分離が起こるのか、あなたは説明できるだろうか？(第15章を読んでほしい）。
不思議な現象から学ぶこと
以上のような現象は、簡単に説明することはできない。私の知る著名な水の科学者でさえ、納得のいく答えは得られず、表面的な説明しかできない人がほとんどである。私たちの理解の枠組みから何かが抜け落ちている。そうでなければ、現象は容易に説明できるはずなのに、そうなっていない。
ここでもう一度強調しておきたいのは、私たちが扱っているのは分子レベルの水ではなく、水の分子の群れであるということである。水の分子と他の水の分子との相互作用、つまり水の「社会的」行動はまだ解明されていない。
社会的行動は、社会科学者や臨床医の専門分野であり、私たちは彼らから学ぶことができるかもしれない。私の友人の精神科医は、「人間の行動を理解するためには、変わり者や変人に注目しなさい」と言ったことがある。その精神科医は、彼らの極端な行動が、他の人々の微妙な行動を理解するためのヒントを与えてくれる、と言った。つまり、先に挙げた事例は、水が極端な「社会的」行動をとる状況を示しており、水分子のごく普通の行動を理解するためのヒントを与えてくれるのだ。
だから、説明できないことを棚に上げて、それを手がかりにする。無知を利点に変える。本書の中盤になると、このような事例がたくさん出てくる。
次の章は、その背景を説明するためのものである。この章では、水の社会的行動に関して私たちがすでに知っていることと知らないことを考察し、主に、地球上で最もありふれた物質について私たちがほとんど知らない驚くべき理由に焦点を当てる。
水の社会的行動
水は生命の中心であり、近代生化学の父と呼ばれるアルバート・セント=ギョルギは、かつて次のような見解を述べている。「生命とは、固体の音に合わせて踊る水である」このダンスなくして、生命は存在し得ないのだ。
このように「水」が重要な位置を占めていることから、21世紀の私たちは、「水」について知っていることはほとんどすべて知っていると考えてよいだろう。もう答えは出ているはずだ。しかし、前章はそうではなく、この身近で広範な物質について、私たちが本当はどれほど何も知らないかを示している。
この問題について、フィリップ・ボールはどのように語っているのだろうか。ボールは現代を代表するサイエンスライターであり、『H2O: A Biography of Water』の著者であり、『Nature』誌の科学顧問を長年にわたって務めている人物である。ボールはこう言う1。「誰も水のことを本当に理解していない。認めるのは恥ずかしいが、地球の3分の2を覆っているこの物質は、いまだに謎に包まれている。さらに悪いことに、調べれば調べるほど問題は山積みである。液体の水の分子構造をより深く探る新しい技術が、さらなるパズルを投げかけているのである」
水の分子そのものはかなりよく理解されている。ゲイ=リュサックとフォン・フンボルトがその本質を定義したのがちょうど2世紀前、今ではその構造の詳細が知られている。基本的に、水分子は2つの水素原子と1つの酸素原子からなり、教科書で見たことのあるような配置になっている（図2.1）。
図2.1: 水分子の想像図
【原図参照】
しかし、この分子が他の水分子や異種の分子とどのように相互作用しているかについては、まだほとんど分かっていない。専門家でない人がこのような疑問を持つことはほとんどない。ほとんどの人は、水の分子が他の水の分子と何らかの形でつながっていることを知っていれば十分である。それだけである。例えば、生物学者は、水は生命の重要な分子を包む広大な分子の海であると考えることが多い。私たちは、水の分子が何かと真剣に相互作用しているとは思っていない。
しかし、水の分子は必ず相互作用する。水滴を構成する何十億もの水分子のうち、少なくとも一部は他の分子とくっつくはずで、凝集力がなければ水滴は成立しない。このような凝集性相互作用は、静的なものではありえない。2つの飛沫が合体するときにも、飛沫が表面に広がるときにも、凝集力は変化しなければならない。水と水の相互作用を理解しなければ、単純な水滴でさえも理解することはできない。
では、その相互作用はどのようなものなのだろうか？
理解の現状
水の挙動を説明する最近の試みは、さまざまな考え方の寄せ集めではあるが、以下のリストで簡単に説明することができる。水と水の相互作用の理論は複雑であり、水の研究者でさえも互いの理論を理解するのが困難な場合がある。そこで、ここでは手短に説明することにする。より包括的な理解を求める読者は、フィリップ・ボールによる詳細なレビューを読むとよいだろう2。ここでは、7つの著名な科学グループが、水分子が互いにどのように相互作用していると考えているかを概説するだけである（図2.2）。
図2.2 水分子間の相互作用 相互作用の性質は、よく理解されていない
【原図参照】
- 水と水の相互作用に関する古典的な考え方は、1957年にFrankとWenによって発表された「明滅するクラスター」モデルである。このモデルでは、周囲の水から水分子のクラスターが作られる。正のフィードバックにより、クラスターは臨界サイズまで成長し、その後、自然に消滅する。この現象はすべて10-10〜10-11秒の時間スケールで起こるため、クラスターは「明滅」する。このモデルは、時代遅れではあるが、今でも多くの教科書に載っている。
- イギリスのロンドン・サウスバンク大学のマーティン・チャップリンは、もう少し整理したモデルを提唱している。チャップリンは、液体の水は2種類のナノクラスターが混在していると考えている。1つは空っぽの貝殻のようなもので、ほぼ崩壊しているタイプ、もう1つはどちらかというと固形で、より規則正しい構造をしているタイプだ。水の分子は、この2つの相の間をすばやく行き来すが、ある条件下では、それぞれの相に属する分子の平均数は同じに保たれる。このモデルについての詳細や、水に関する多くの情報は、チャップリンの有名なウェブサイトで見ることができるw1。
- スタンフォード大学のAnders Nilssonとストックホルム大学のLars Pettersonの研究からは、全く異なる図式が浮かび上がってくる。このモデルでも、2種類の水が共存していると仮定している。すなわち、最大で約100個の分子を含む氷のような塊または鎖と、それらの塊を取り囲む無秩序な組織である。著者らは、水素原子と酸素原子がリング状や鎖状になっている、一種の無秩序な海を想定している。
- ミラノ大学のEmilio del Giudice教授のモデルは、より大規模なクラスタリングが特徴である。量子場理論に基づき、デル・ジュディツェは、サブミクロンサイズの水のコヒーレンスドメインを想定しており、それぞれのドメインには何百万もの分子が含まれている可能性がある。そのドメイン内の水分子の結合は、外部からの電磁波エネルギーを受け取るアンテナと考えることができる。そのエネルギーを受けて、水分子は電子を放出し、化学反応に利用することができる。
- これらのモデルから連想されるものを発展させたモデルとして、ボストン大学のジーン・スタンレーが提唱しているものがある。スタンレーは、水には低密度と高密度という2つの異なる状態があることを示唆している。この区別は、過冷却水において最も明確に現れる。低密度の水は四面体の開いた構造をしており、高密度の水はよりコンパクトな構造をしている。この2つの状態は、動的に入れ替わる。
- もうひとつの2状態モデルは、水分子が鏡像として存在することを強調するものである。つまり、水分子の一方は左巻きで、もう一方は右巻きである。このモデルを提唱したのは、ロシアのセルゲイ・ペルシン、イスラエルのメイル・シニツキー、ヨシ・スコルニクらである。彼らは、この2つの種の相対的な割合が、水のさまざまな特徴を説明できると主張している。
- 最も構造的に複雑なモデルは、材料科学のパイオニアである故ルスタム・ロイが提唱したもので、水の構造の不均一性と、水と分子の交換のしやすさを強調したものである。交換に必要なエネルギーはごくわずかである。図2.3に、代表的な構造を模式的に示した。
図2.3 Rustum Royらによる液体の水の構造案3 クラスターは黒く塗られている
【原図参照】
ここまでで、構造モデルについて十分お聞きになったと思われるかもしれない。しかし、今回紹介したのは、絶えず議論され続けている、より大きなモデル群のほんの一部に過ぎない。ボール教授が言うように、水に関する理解は未解決のままであり、「ミステリー」なのである。
一方、これらのモデルの多くには、「複数の状態」という共通の特徴がある。一般に、液体の水の状態は1つであると考えられているが、これらのモデルでは、さらにもう1つの状態を理論的に示している。この後、視覚的に検出可能で、明確な特徴を持つ水の状態について、具体的な証拠を見ていくことになる。
なぜ私たちは何もわかっていないのか
信じられないかもしれないが、水を研究している科学者はほとんどいない。ほとんどの科学者は、一般の人々と同じように、このありふれた物質に関することはすでに知られているに違いないと思っているのである。それなのに、科学的な挑戦はどこにあるのだろう？退屈な水の世界に飛び込むくらいなら、分子生物学やナノサイエンスといった流行の分野を追求したほうがいい。
科学者が水を敬遠するのには、もう一つの理由がある。水には神秘的な性質があるようだ。古代の宗教家たちは、水にはエキゾチックな治癒力が備わっていると確信していた。聖水とかね。この神秘的な色合いが、水の研究を危険なものにする。エキゾチックな発見は、科学の仕事というより、むしろ悪魔の仕事とみなされるかもしれない。科学というより、悪魔の仕業とみなされるかもしれない。
このような2つの阻害要因があるにもかかわらず、水はかつて科学研究の中心的な位置を占めていた。20世紀前半の科学は、今とは違った重点を置いていた。20世紀前半の科学は、今とは違って、狭い範囲での詳細な知識の追加よりも、自然界全体に適用できるような一般原則を明らかにすることに重きが置かれていた。分子の部分よりも全体が重要だと考えられていたのである。水はどこにでもあるものであるから、その全体には水が含まれていなければならない。
また、液体に浮遊する微小な粒子であるコロイドが重要視された時代でもあった。コロイドが生命の基盤であると考え、多くの科学者が、コロイドと水の相互作用を知れば、生命の根源的な化学的性質が明らかになると考えていたのである。コロイドへの注目と全体論的なアプローチにより、水は科学研究の中心に位置づけられたのである。
しかし、20世紀半ばになると、2つのことが水の収穫の可能性を阻んだ。1つは、専門化である。水を二の次にした分子生物学的なアプローチが主流となったのだ。分子が流行したのだ。分子を理解すればするほど、科学的真理に近づくと思われたのだ。その結果、水の研究は古くなり、次第に目立たなくなった。
科学者を水から遠ざけた第二の原因は、二つの社会政治的な事件であった。
最初の事件は、いわゆる「ポリウォーター騒動」と呼ばれるもので、冷戦下の1960年代後半、ロシアの挑発的な発見から始まった。毛細管という細い管の中に閉じ込められた水は、分子の振動が違う、密度が異常に高い、凍りにくい、蒸発しにくいなど、普通の水とは異なる挙動を示すようだ。これは、明らかに異国の水である。その性質は、多くのポリマーに共通する高い安定性を示唆していた。化学者たちは、この水をポリマー水と考え、「ポリウォーター」という運命的な造語を作り出した。
ポリウォーターの発見は、多くの科学者を興奮させた。しかし、この発見には懐疑的な見方もあり、ロシア側は結局、欧米の科学者が指摘した「不純物」という厄介な問題に頭を抱えることになった。しかし、この発見には懐疑的な見方もあり、結局、ロシア人は恥をかくことになる。毛細管内の純水は、周囲のガラス管から溶け出した塩分やシリカを含んでいることが分かったのだ。その不純物が、あの異国情緒を生んでいたのだ。この不純物の混入は、最初の研究の責任者であった伝説の物理化学者ボリス・デルジャギン（Boris Derjaguin）さえも、最終的には公の場で認めている。懐疑的な人たちは、ポリウォーターが「飲み込みにくい」という最初の反応に正当性を見出すことができた。
ポリウォーターについては、後ほど詳しく述べることにしよう。ただ、「汚染物質」というのは、あらゆる科学分野を悩ませる厄介なものであることは、ここで述べておこう。科学者は純粋なものを求めるが、絶対的な純度を得ることは難しい。水の場合、純度を上げることは事実上不可能である。なぜなら、水はあらゆる種類の異分子を吸収する性質があり、ほとんどすべてのものに対して天然の溶媒だからだ。この意味で、汚染物質は水の自然な特徴であり、汚染物質が限定的に存在するからといって、観察された特徴を反射的に捨て去る必要は必ずしもないのである。
しかし、被害は大きかった。1970年代初めには、ロシア人は不注意な実験の罪を犯したとみなされた。その理由は、ポリウォーターがセンセーショナルに報道されたからだ。海中に一滴のポリウォーターが流れ出れば、高分子触媒と同じように、地球上のすべての水資源を重合して、一つの塊にし、すべての生命を絶つことができるのだ、と。危険なものであることは確かだ（図2.4）。
図2.4：ポリウォーターの恐怖
【原図参照】
そのため、汚染ミスの報道で国民は安堵した。しかし、あまり偏執的でない人々は、このエキサイティングな新しい科学的発見が、単なる実験の失敗に過ぎないことが判明したことに失望を覚えた。いずれにせよ、水の科学者は無能であるとみなされた。
その結果、水の研究に大きな打撃を与えたことは想像に難くない。ロシアを代表する物理化学者がそう簡単に道を踏み外すのなら、一般の科学者はどうなるのだろう。恥をかく危険性は高い。水の研究をしていた優秀な科学者たちは、ポリウォーターに汚染されることを避けるために、より安全なテーマを選んで研究していた。
そのため、水に関する研究は、ほとんどストップしてしまった。しかし、生物学的な水に関する研究など、一部の研究者の努力によって、その勢いは失われた。水の謎は、遠い未来のこととして、他の研究者に残された。
「水の記憶」の失敗
それから20年、水の科学は少しずつ回復の兆しを見せていたが、さらに大きな打撃を受けることになる。その中心人物は、フランスの科学者であり、免疫学者でもあったジャック・ベンベニステである。ベンベニストたちは、ほとんど偶然に、水が相互作用する分子からの情報を保持する証拠をつかんだのである。水は「記憶」することができるのである。
水の記憶の証拠は、生物学的に活性な物質を連続的に希釈する実験から得られている。水に溶かした物質を希釈する。そして、この希釈した溶液を少し取って、また希釈する。この作業を何度も何度も繰り返す。何度も薄めると、統計的には水しか残らない。ベンベニストたちは、何も残らない段階を過ぎても希釈を続け、それでも元の溶液と同じだけの生物学的影響を与えることができることを発見した。濃縮された物質でも、連続的に希釈された物質でも、細胞にかけると同じように分子ダンスを起こすことができた。希釈された水は、接触した分子の「記憶」を保持し、その分子だけがダンスを始めることができるようであった。
『ネイチャー』誌の編集長ジョン・マドックス卿は、「とんでもないことだ」と思った。いったい、どうやって水が情報を保持できるのだろう？しかし、この一見当たり前のような反応に、誰もが共感したわけではない。ホメオパシーの人たちは、レメディーを調合するときに同じような手順を踏む。ホメオパシー界の人たちの中には、優れた科学者がついに自分たちのやり方を正当化してくれたと感じた人たちもいた。一方、ベンベニストは、科学よりもホメオパシーに関心を持っていた。ベンベニストは、『ネイチャー』誌が自分の研究成果をまとめて否定したことに反発し、他の3つの研究所の同僚に、自分の実験プロトコルを繰り返して同じ結果が得られるかどうかを確認するよう依頼した。
すると、驚くべきことに、同じ結果が得られた。そして、ベンベニストは再び、この研究結果を『ネイチャー』誌に報告した。すると、「ネイチャー」誌は前回と同じ反応を示した。どうやら、いくら再現性があるといっても、あまりにあり得ない結果なので、明らかに実験用のグレムリンが希釈した水の中に潜んでいたのだろう。このポリタンク事件を念頭に置きながら、『ネイチャー』誌はネズミの匂いを嗅ぎつけた。
編集長が委員会を招集し、フランス人科学者の実験に目を通させ、ネイチャー誌の読者に報告させるというものである。編集者は、この条件を受け入れた。この論文はすぐに掲載され、懐疑的な意見も併記された。編集長は、「フランスの科学者が何をしようとしているのか、同業者の委員会で調査する」と言った。
この委員会は、実は探偵の委員会であった。マドックス編集長が委員会のトップに立った。マドックス編集長は、さらに2人の人材を採用した。一人目は、アメリカ国立衛生研究所の科学的不正を暴く専門部署で働いていたウォルター・スチュワートである。スチュワートはプロの探偵であった。もう一人は、「アメージング・ランディ」の異名を持つジェームズ・ランディ。ランディは世界的なマジシャンであり、ユリ・ゲラーの「空中浮遊」など、他のマジシャンのトリックを否定することでその名を知られるようになった。この「同業者」の構成からして、マドックス氏が単なるミスではないことを疑ったのは明らかである。
委員会はパリにやってきて、実験を注意深く見守った。最初の実験は、ほぼ主張通りに進み、序盤はフランスが勝っているように見えた。しかし、訪問者の1人が自ら希釈を行ったところ、結果はうまくいかなかった。そこで、見学者たちは肩を寄せ合った。フランス人がやってもダメなのだから、何かトリックがあるに違いない」と、すぐに結論を出した。しかし、そのトリックが何であるかは、プロの論客にも分からない。しかし、科学界に発表した報告書には、「水の記憶は妄想である」と堂々と書かれていた。
このカラフルなストーリーは、細部に至るまで豊かである。1冊目は、当時『ネイチャー』誌に勤務し、マドックスと親交のあったフィリップ・ボール1による上記の本である。もう1冊は、物理学者の故ミシェル・シフが書いた『水の記憶』4である。シフ氏は事件当時、フランスの研究所に勤務していた。この2冊の本には、それぞれの著者の思いが込められている。全貌を知るには、両方の本を読むべきだろう。
この大失態の結果、ベンベニストは広く屈辱を味わうことになった。その屈辱とは、助成金を失い、大規模で生産的な研究室が崩壊し、これ以上の科学的研究を発表することが困難になったこと、そして究極の屈辱は、ありえない研究に対してハーバード大学の学生が贈る「イグノーベル賞」を2度受賞したことであった。フランスの科学にとって、決して幸福な時代ではなかった（図2.5）。
しかし、重要なのは、この事件の醜悪さでも、輝かしい科学者のキャリアが一瞬にして失われたことでもなく、この事件が水の研究分野に与えたインパクトである。ポリウォーター事件から立ち直ったばかりの水研究界に、さらに大きな試練が訪れた。水の記憶は、科学界全体の笑いものになったのだ。名前を覚えるのが大変であるか？もっと水を飲めよ」(ははは……」）
このような経緯から、水の研究がどのような結果をもたらすかは想像がつくだろう。ポリウォーターに汚染され、科学的ジョークのネタにされるような分野に、健全な精神を持った科学者が果たしてどれだけいるだろうか？ごくわずかだろう。しかし、皮肉なことに、後にベンベニストの結果を確認した研究者5や、ノーベル賞受賞者のリュック・モンタニエが、水の記憶を基に、水に保存された情報の伝達を主張した研究者6もいる。
図2.5 フランス科学の恥さらし？
【原図参照】
謎は残る
なぜ、これほどまでに身近なものについて、ほとんど何もわかっていないのか、というパラドックスについては、理解いただけたと思う。かつてダイナミックだったこの分野は、2度にわたる大失敗によって、科学者のほとんどが立ち入ることのできない危険な領域と化してしまったのだ。
この2つの失敗の灰の中から生まれたのが、現在の水研究分野である。この分野は、統合失調症と呼ぶにふさわしい。一方では、コンピュータ・シミュレーションや高度な技術を駆使して、水の分子とその近傍を解明しようとする研究が主流である。その結果が、この分野を定義しているようなものだ。比較的リスクの少ないアプローチで、この章で紹介したさまざまなモデルを洗練させ、より良いものにするための漸進的な進歩を遂げてきたのである。
一方、前章で述べたような、より刺激的な現象を探求する科学者たちもいる。このような現象に触れると、主流派の人たちは、その現象を奇妙で科学的ではないと考え、しばしば苦笑いを浮かべる。また、それらの現象を「怪しげな水」の一種として否定したがる主流派もいる。
両者が混ざり合うことはめったにない。「変な水」の研究者たちは、主流派の洗練されたアプローチに感心しつつも、彼らのアプローチが濃密で理解しがたいと感じ、距離を置いているのである。一方、主流派は、「変な水」派を疫病神のように避けている。主流派の中には、「水」でまた大失敗をするのではと戦々恐々としている人もいる。こうして、「奇妙な水」現象は、冷核融合、UFO、微弱エネルギーなどと同じカテゴリーに分類され、フリンジ・サイエンス（周辺科学）と呼ばれるようになったのである。科学者としての権威を保ちたいなら、距離を置いた方がいい。
このような疑心暗鬼の雰囲気の中で、なぜ理解を深めることが困難なのか、おわかりいただけると思う。水に関する基礎研究は、泥の中から金塊を探すようなものだ。あちこちで金塊が見つかるかもしれないが、このゆっくりとした、困難な収集作業は、疑いの雰囲気の中で行われるため、理解の基礎を築くことさえ現実的ではなくなってしまうのである。
. . .
この後の章では、この泥臭い、よく踏まれた道を迂回することになる。私たちは、他の人々が無視してきた手がかりをもとにまったく新しい道を切り開き、この道を使ってよりよい理解に向かって前進していく。多くの科学者が考えているように、自然そのものが単純で直感的であるならば、その最も普遍的な構成要素も同様に単純で直感的であってほしいと願うからだ。
私たちは、そのような単純な理解を目指している。
界面水の謎
コップの中の水はすべて同じに見える。コップの中をじっと見ていても、ある部分の分子が他の部分の分子と異なる配列をしていることは分からない。やはり、水は水なのだ。
しかし、表面的には同じに見えても、実は違うということがある。私はこの10年間で、物質の表面が近傍の水分子に大きな影響を与えることを知った。容器、浮遊粒子、あるいは溶解した分子など、水に接するあらゆる表面がそのような影響を及ぼす。あらゆる種類の表面が、近くにある水の分子に大きな影響を与えるのである。
JC Hennikerによる半世紀前の総説1には、水を含む多くの液体に対してさまざまな表面が長距離にわたって影響を及ぼすことを確認した100件以上の研究結果が引用されている。このような証拠は広く公開されている。
しかし、私にとっては、このような長距離効果は新鮮な発見であった。それまでも、表面が水に影響を与えるのは、おそらく水分子の数十層程度までであることは知っていたし、そのような秩序だった水の生物学的関連性についての本も書いたことがある2。しかし、本当に数千、数百万の分子層にまで及ぶ長距離の影響は、むしろ衝撃的であった。もしそれが本当なら、この強い影響は、水を媒体とするあらゆる現象の中心的存在となることは避けられないと思われたからだ。
この長距離秩序の証拠にどのように出会ったか、そしてその証拠が正しいかどうかを確認するために何をしたかを説明しよう。きっかけは、ある学会での偶然の出会いだった。
平井と昼食
1990年代後半の猛暑の日、あるセミナーに出席するために建物を移動していると、信州大学の平井利博教授と偶然に出会った。そのとき、信州大学の平井利博教授と長い間、おしゃべりをした。私は、当時執筆していた『細胞、ゲル、生命のエンジン』という本の内容を紹介した。暑さをしのぐために昼食をとりながら、平井は、自分の学生たちが発見した、水を理解する上で極めて重要な、一見関連性のある観察結果を教えてくれた。
信州大学・平井利博
平井たちは、血管の中の血流を研究していた。実際の血管の代わりに、ゲルを貫通させた円筒形のトンネルを使い、血液には微小球の懸濁液を使用した（図3.1）。このように、ゲルトンネル内を流れる微小球の水懸濁液は、血管内を流れる血液を模倣したものであった。ゲルは透明なので、研究者たちは流れる「血液」を追跡することができた。必要なのは簡単な顕微鏡だけであった。
図3.1 マイクロスフィアは、科学者にとって一般的な道具である
【原図参照】
平井は、彼らの研究成果を熱心に私に教えてくれた。血流のパターンについての結果も興味深かったが、私が注目したのは、微小球の奇妙な挙動についての説明であった。ゲル表面の環状部分を避けて、トンネルの中心部に移動しているのだそうだ（図3.2）。平井は、この特徴には特に注意を払わず、副次的な効果だと考えていたという。この表面近くの排除が中心である可能性は、彼には思いもよらなかったようである。
図3.2 ゲルトンネル内のマイクロスフェアフリーゾーンを示す模式図
【原図参照】
その後、平井と私は、何度もメールのやり取りをした。私は、平井が研究成果を発表してくれるよう説得し、当時出版予定だった私の著書に引用してもらおうとした。しかし、それは実現しなかった。平井は、私のたえまないメールにしびれを切らし、ついに、自分のペースで進めていいから、出版するときは私を共著者として加えてほしいと申し出た。
私の知る限り、平井の観察は未発表のままである。ところが、まったく偶然にも、彼の元ポスドク研究員がシアトルに引っ越してきて、仕事を探して私の研究室に入ってきたのだ。私は即座に鄭建民（Jian-ming Zheng）（図33）を採用し、平井の観測を追跡調査することになったのである。
図3.3 Jian-ming “Jim” Zheng（鄭建民）
【原図参照】
私は、微小球がゲル表面付近を避けようとするのは、何か重要なことを示唆しているのではないかと考えるようになった。氷の結晶が成長して浮遊物を押し出すのと同じように、ゲル表面は連続した水分子を秩序立てて、微小球を押し出すのではないか、と考えたのである。この仮説は異例なものだったが 2001年に出版した私の本には、まさにこの考え方を示す証拠が数多く紹介されている。
しかし、平井の観測で最も驚いたのは、その規模である。ゲル表面から10分の1ミリほど内側に微小球のない領域が広がっており、この秩序だったならびには、数十万個の水分子が含まれている可能性がある。これは、サッカー場数十面分のビー玉を並べたようなものである。細胞内における水の秩序化という考えを支持する筆者でさえも、この途方もない大きさには抵抗があった2。
もし、古い文献を読んでいれば、もう少し懐疑的になっていたかもしれない。60年以上も前に出版され、数多くの論文に基づいたこの総説1でも、同様の結論が述べられている。「表面は隣接する液体に長距離にわたって影響を及ぼし、実質的な分子の再配列を引き起こす。このことを知らずに、私たちは、素朴に、車輪の再発明に取り掛かったのである。
図3.4 ゲル表面に形成された微小球の排除層（EZ）
この領域は時間とともに拡大し、5分ほど経つと比較的安定した状態を保つ。
私たちは、平井の実験よりもシンプルな実験から始めた。同じ種類のゲルを使って、ゲル片をチャンバーに入れ、マイクロスフェアーの水性懸濁液を満たした。そして、顕微鏡を覗き込んで、何が起こるかを確かめたのである。液体懸濁液がゲルに接触すると同時に、微小球はゲルの表面から離れ始め、幅100μm（0.1mm）弱の微小球のない領域ができたのである。その領域には水は残っていたが、マイクロスフィアは残っていなかった。一旦形成された領域は無傷のままであり、数時間検査した後でも、マイクロスフィアの侵入に抵抗していた。図34は、この微小球の「排除層」が形成される様子を示したものである。
私たちの観察から、平井が見た微小球のない領域は、「血」の流れの流体力学から生じたものではないことがわかった。私たちのセットアップでは流れはなかったが、同様の排除層が得られた。ゲル表面の何かが、流れの有無にかかわらず、微小球を急いで後退させるようだった。どちらのシナリオでも、排除層、つまり「EZ」と呼ばれる明確な排除領域という同じ結果が得られたのである。
従来から期待されていたこと
排除現象は、現代化学の常識に反しているように思える。この現象は存在しないはずなのだ。表面は確かに隣接する液体に影響を与えるかもしれないが、その影響は数分子層を超えて液体中に突出することはないと広く考えられている（Hennikerの総説に証拠が引用されているにもかかわらず）。
なぜ、それほど限定的な影響なのか？一般的な見解は、電荷の「二重層」の存在という理論に由来している。つまり、水中に置かれた帯電した表面は、その水中に溶けている反対電荷のイオンを引き寄せる（図35、反対側のページ）。このイオン層の向こう側には、極性が逆になっている第二の層があり、液中に拡散している。そして、その二重層の先には、さらに拡散電荷などが存在するはずだ。そして、最終的には中性になる。このような中和層の向こう側にいる観察者にとっては、表面はまるで存在しないかのように見えないはずだ。
オランダの物理学者ピーター・デバイにちなんで、この鈍感になるまでの最短距離を「デバイ長」と呼ぶ。デバイ長の値は、対イオンの雲の広さを反映している。正確な値は多くの要因に左右されるが、典型的な値はナノメートル（10-9メートル）スケールである。理論的には、この数ナノメートルを超えると、液体中に存在する溶質や粒子は、物質表面の存在に鈍感になるはずだ。
図3.5 標準的な二重層理論。
帯電した表面（左）は、図のように反対極性の対イオンを引きつけると考えられる。この対イオンは、反対の電荷を持つ拡散雲を引き寄せる。水中で界面から離れた場所にいる観測者は、中和された表面を感じないはずだ。
しかし、図34に示すように、私たちの観測結果はそうではなかった。粒子は、物質表面に対して著しく敏感で、デバイ距離の10万倍も離れているのだ。
デバイ長や二重層理論は、表面化学の根幹をなす概念であるだけに、この観測は問題だった。デバイ長や二重層理論は、表面化学の基本概念である。この理論に矛盾する実験結果をぶつけるのだから、些細な説明やアーティファクト（科学用語で「誤り」の意）が観測結果を混乱させたのではないことを確認しなければならないのである。
些細な説明？
Zhengと私は、1年間を費やして、考えられる限りの誤差を調査した。3,4 私たちは、他の研究者からも多くの情報を得たが、彼らは、解釈の表面下に陰湿に潜んでいるかもしれないグレムリンを遠慮なく示唆した。私たちが取り組んだ多くの問題のうち、特に問題だと思われたのは4つである。
- 1つ目は、領域によって温度が微妙に異なることで発生する対流現象である。温度勾配があると、流体の渦が発生して、微小球が表面から遠ざかってしまう可能性がある。多くの実験では対流が観察されたが、まったく流れがない実験もあり、それでも排除層は存在した。このことから、対流による排除層は一般的な説明にはならないことがわかった。
- 2つ目の問題は、ポリマーブラシ効果である。ゲルはポリマー（構造単位の繰り返しからなる大きな分子）でできている。そのポリマー鎖は、ゲルを越えて周囲の溶液に、ブラシの毛のように突き出ていることがある。まばらで細い毛は、顕微鏡での検出を逃れ、微小球は除外されるかもしれない。しかし、超高感度ナノプローブをゲル表面に平行に照射しても、そのような毛の痕跡は見つからなかった。毛が見えないというのは、どうやら嘘のようだ。
この結論は、その後の実験でも確認された。その一つは、自己組織化単分子膜（電荷基で機能化された単一分子層）を用いた実験である。単層膜には突起する高分子はない。また、ある種のn型ケイ素ウェハーや金属表面5にも、かなりの大きさの排除層が見られたが、これも突起を持たないものである。図36にその一例を示す。
図3.6 亜鉛近傍の排除層（参考文献5より） 緑色は顕微鏡で緑色フィルターを使用したため
【原図参照】
- 微小球の排除に関する第三の些細な説明は、長距離の静電反発を利用したものである。材料表面と微小球の両方が負に帯電していれば、この2つは反発するはずで、十分に強い反発が微小球を追い払い、排除層が形成されるはずだ。二重層理論によれば、このような反発は数ナノメートル以上の距離では消滅するはずだが、私たちはこの仮説を検討した。
反発仮説を検証する最も簡単な方法は、陽性の微小球を陰性の微小球に置き換えることであった。静電気仮説によれば、正極性の微小球は負極性の表面に引き寄せられるはずだ。しかし、正に帯電した微小球が排除層を崩壊させることもあれば、排除層が残るばかりか、負の微小球で見たのと同じ大きさのままである場合もあった3,4。
排除表面の電荷を逆にしても、同様の結果が得られた。この実験では、ゲルビーズを用いた。ゲルビーズの球状表面は、貝殻のような排除層を形成する（図） 負に帯電した微小球は、一貫して排除された。ビーズの表面に含まれるポリマーが負に帯電しているか正に帯電しているかは関係なかったのだ6。
図3.7 帯電したゲルビーズから排除される微小球（光学顕微鏡で見る）
【原文参照】
(ビーズをガラス面に置き、微小球の懸濁液を加えた。EZは時間の経過とともに、図のように成長した。
- 第四の可能性は、ゲルから何らかの物質が拡散していることである。汚染物質が漏れ出すと、微小球が押し流され、見かけ上排除される層ができる可能性がある。しかし、単層膜の結果はこの仮説と矛盾する。単層膜の分子層は実質的な排除層を形成したが4、非常に薄いため、実質的に何も漏れ出ることはない。
- 私たちは、もう一つのアプローチとして、漏れ出したと思われる汚染物質を洗い流すことも試んだ。EZの核形成面に平行に激しく流したとしても、EZを除去することはできなかった。
- 最後に、漏れ出した物質で説明できないほど広範な排除層が見つかった。このような広範なEZは、水平方向に長い円筒形のチャンバーで発見された。円筒の一端には、クリップで固定された円盤状のゲルが取り付けられている。そして、マイクロスフィアの懸濁液でチャンバーを満たし、様子を見た。すると、予想通り、ゲル表面からパンケーキ状の排除層が数百ミクロンの厚さにまで成長している。しかし、成長はそこで止まらず（図38）、EZは棒状の突起に楔状に突き刺さるようにして成長を続けた。このポール状のEZは、時には枝分かれして、通常、長さ数メートルのチャンバーの端まで伸びていた8。明らかに、拡散性の汚染物質では、この超長距離の排除層を説明することはできない。
図3.8 長いEZの突起
【原文参照】
円盤状のゲルが円盤状のEZを形成し、それが長い棒状の突起に食い込んでいる。この突起は少なくとも1メートルは伸びている。
私たちの1年にわたる研究は、観察された排除層が些細な説明で生じるものではないという確信を与えてくれた。この原稿を書いている時点で、数十の研究室がEZの存在を確認している。さらに、残念なことに、1970年に発表された最近見つかった論文でも、ほぼ同じ結果が示されていた。厚さ数百マイクロメートルの微小球排除層が、ポリマーや生体用ゲル表面に隣接して存在していたのだ9。つまり、微小球の排除は偶然の産物ではなく、ある種の物質表面から微小球を追い出す、予測できない何かが起こっているのだ。
このように、アーティファクト探索の実験には多大なエネルギーを費やしたが、その結果、思いがけないヒントが得られた。氷柱のように、結晶は簡単にその長さにまで成長する。結晶は成長する過程で粒子を排除する。EZが結晶のような物質である可能性は、私たちにとって非常に興味深いものだった。
結晶は通常、核生成部位、つまり何らかの表面から成長する。そこで、どのような表面が排除層の核となるのかを明らかにすることが重要だと考えた。
排除層はどの程度一般的か？
私たちはまず、先に述べたゲルの他に、いくつかのゲルを調べた。生体分子や人工ポリマーでできたゲルも含め、水を含んだ（ハイドロ）ゲルはすべて排除層を作り出した（図39a）。また、血管内皮（血管の内側）、植物の根の部分、筋肉など、自然の生物表面の隣にも排除層が見られた（図39b）。単層膜についてはすでに触れた（図39c）。単分子層に隣接して実質的な排除層が存在することから、物質の深さは重要でないことが分かった。つまり、排除層を作るには、単に分子テンプレートが必要なだけだと思われる。
様々な荷電ポリマーでも排除層が形成された。特に強力なのは、ナフィオンである（図39d）。ナフィオンのテフロン状の骨格は、負に帯電したスルホン酸基を多く含んでおり、このポリマーは、より強力な排除剤の1つとなっている。ナフィオンの強力な排除層と使いやすさから、このページではナフィオンについて頻繁に取り上げることになるだろう。
図3.9 光学顕微鏡で見た微小球の排除帯の例。
【原文参照】
(a) ポリアクリル酸ゲル、(b) 筋肉、(c) 金上の自己組織化単分子膜。(d) ナフィオンポリマー、時系列。
私たちが遭遇した唯一のエキゾチックな特徴は、EZを含まない局所的な表面パッチであるブリーチだった。このようなむき出しのパッチは非定型であった。しかし、これはある種の金属や、浸透圧の実験（第11章参照）のように異なる溶液に浸された高分子膜のそばでは普通に見られることである。このEZの破孔は、通常のEZダムを貫通する穴のように見えた。
以上のように、EZの核となる物質は、「親水性」、つまり水が大好きというカテゴリーに入る。親水性とは、水が好きで好きでたまらないということである。一方、テフロンのような「疎水性」、つまり水を嫌う表面は、排除層が見つからず、無能であることがわかる。どうやら、この排除現象は、親水性表面の一種であるようだ。
EZの一般性が確立されたところで、次に、EZは何を排除するのか？マイクロスフィアだけを排除するのか？それとも、他の物質も除外されるのだろうか？
私たちは、大きな浮遊粒子から小さな溶質まで、さまざまな物質が除外されていることを発見した3。3 あらゆる種類の微小球が除外された。大きさは10μmから0.1μmまで、さまざまな物質から作られていた。赤血球、数種類の細菌、研究室の外で採取された普通のゴミも除外した。タンパク質であるアルブミンも、分子量が100ダルトン（一般的な塩の分子より少し大きい程度）と低いさまざまな色素も除外された。除外された物質の最大から最小までのスパンは、1,000億倍に達していた（図3.10）。
これらの実験から、EZは非常に小さいものから非常に大きいものまで、様々なサイズの物質をかなり広く除外していることがわかった。
しかし、極小の溶質については、決定的な実験ができなかったので、後回しにせざるを得なかった。しかし、排除現象は一般的なものであり、親水性の表面であればほとんどEZを生成でき、EZは水中の浮遊物や溶解物をほとんど排除することができると結論付けることができる。
図3.10 除外される物質の範囲
【原図参照】
溶質はなぜ排除されるのか？
この明らかに巨大な排除力は、私たちがある種の結晶のような物質を扱っていることを改めて示唆している。親水性の表面は、近くの水分子を液晶のように並ばせることができる。親水性の表面は、液晶のように近くの水分子を並ばせることができる。秩序ある領域が成長すると、成長する氷河が岩を押し出すのと同じように、溶質を押し出すことができるのだ。
このような分子秩序は、決して新しいアイデアではない。先に紹介したHennikerの論文（1949）は、表面近傍での大規模な分子の再配列を示す多くの古い研究をレビューしている。ヘンニカーの論文は、決して風前のともしびではない。その後、Walter Drost-Hansen、James Clegg、そして特にAlbert Szent-GyörgyiとGilbert Lingなど、多くの著名な科学者によって水の長距離秩序化という考え方が提唱された。セント=ギョルギ（図3.11）は、ビタミンCの発見でノーベル賞を受賞したブレイクスルー思想家であるが、彼の思想の礎は、水の長距離秩序であり、それは生命の建造物における主要な支柱であると考えていた。
図3.11 晩年のアルバート・ツェント=ギョルギ（Albert Szent-Györgyi
【原図参照】
ギルバート・リン（図3.12）も、同様のことを考えた。彼は、細胞機能における水の秩序の中心的な役割を強調し、生物学的な理解のための革命的な枠組みを構築した。このテーマについて、彼は5冊の本を書き、最新のものは2001年に出版された単行本 『Life at the Cell and Below-Cell Level』である10。Lingによれば、この秩序こそが、ほとんどの溶質が細胞内の低濃度で存在する理由であり、細胞内の秩序だった水が溶質を排除しているのだという。
図3.12 初期の頃のギルバート・リン氏
【原図参照】
このような偉大な人物によって、舞台は十分に整えられ、帯電した表面や親水性の表面が水分子をかなりの距離まで秩序立てているという考えは、もっともらしく思われた。しかし、今日の化学者たちは、分子が無秩序になる傾向があるため、このような秩序化はあり得ないと考えていることも明らかであった。しかし、何らかのメカニズムでこの現象を説明する必要があり、水の秩序化はその有力な選択肢のひとつであると思われた。そこで、私たちの研究室では、その可能性を探ることにしたのである。
表面は近傍の水に影響を与えるという新たな証拠
排除層の物理的な性質を明らかにするために、私たちはさまざまな方法を追求した。いずれも、排除層を設け、その中で調べている特定の性質が、排除層の向こう側にある水と異なるかどうかを検証するものである。そうすることで、単に違いを調べるだけでなく、運が良ければEZ水の正体を突き止めることができるのである。以下、かなり専門的な内容であるが、6つの重要な実験について説明しますので、お付き合いほしい。
(i)光の吸収。物質には、光の吸収の仕方がある。波長（色）の違いによる吸収の違いをグラフにすることで、物質がどのように電磁波を受け入れているかがわかり、その分子が吸収したエネルギーをどのように扱っているかがわかるのである。少なくとも、EZが吸収する光の波長は、その先の水の塊が吸収する波長と異なるかどうかを確かめたいと思った。
そこで、図3.13aのような実験を行った。
図3.13a 光の吸収の測定
キュベットを横方向に移動させることで、ナフィオン表面からさまざまな距離の水を調べることができる。
標準的な光学容器（キュベット）の内面にナフィオンシートを貼り付け、その中に水を満たした。図に示すように、キュベットを、分光光度計に到達する前に水を伝染する狭い窓の光路上に置いた。キュベットを測定単位で動かすことにより、EZの内側と外側の両方の領域を通過する光を調査することができた。
図3.13bはその結果である
すなわち、可視光および近可視光の吸収波長は、表面を除いたブランクの水試料と変わらない。これは予想通りだった。しかし、キュベットをずらして、照射窓をナフィオンと水の界面やEZ内に近づけると、強い吸収ピークが現れた。その波長は約270nmであった。この270nmの吸収ピークは、窓がNafion表面に近づくほど大きくなり、最終的には吸収スペクトルを支配するようになった。EZの向こう側の水にはこのようなピークは現れないので、EZの吸収特性はバルク水域の吸収特性とは大きく異なることが明らかになった。
図3.13b ナフィオン-水界面からの距離を変化させて測定した吸収スペクトル。緑から赤への距離の減少。各曲線に付された数字は、実際の距離を示す。
(ii) 赤外吸収。電磁スペクトルの赤外領域での吸収の違いも調べることができる。これらの長い波長は、分子構造について何かを教えてくれる。図3.14はその結果の一つで、水中に沈めた三角形のナフィオン片とその周辺の赤外線吸収のマップである。色の違いは、吸収の大きさの違いを示している。ナフィオンから遠いところでは、一様な青色で、一様に吸収が小さいことを表している。ナフィオンに近づくほど色が変わる（緑色）のは、EZの吸収がバルク水の吸収と異なることを示す。
図3.14 三角形の水中ナフィオンの試料を赤外線吸収法で調べたもの
色の違いは吸収の違いを示す 青が最も低い
【原図参照】
最終的には、より薄い試料を用いることでより詳細な情報が得られると思われるが、適切に薄い試料を作ることは困難であり、その利用には技術的な進歩が必要と思われる。しかし、この図に見られる吸収の違いは、バルク水とEZ水の構造が異なることを示している。
(iii) 赤外発光 3つ目のアプローチは、赤外線カメラを使って、試料から放射される赤外線（「熱」）を測定するものである。もし、EZの性質がバルクの水と異なるなら、放射線の放出にも何らかの違いがあると予想される。
そこで、水を張った浅い容器にナフィオンを入れて、放射線を測定した。そして、1時間かけて試料を平衡化させた。その後、試料から赤外放射を収集し、複数の画像フレームで平均化した。図3.15は、その代表的な結果である。ナフィオンに隣接する暗い領域は排除層であり、ほとんど放射していないため暗くなっている。より遠くの水域はより明るく放射している。
この結果を解釈するには、赤外線の強度を決定する要因についてある程度理解する必要がある。空港の熱画像スキャナーでは、インフルエンザに感染しているかどうか、ビーチでくつろぐ代わりに1週間隔離される必要があるかどうかを検出することができるのである。しかし、赤外線の強さは温度だけで決まるわけではない。強さは温度と「放射率」の積であり、放射率は放射する構造の特徴を示している。結晶のような規則正しい構造は、結晶の分子構成要素が激しく動き回ることがなく、安定であるため、赤外線のエネルギーが少なくなる。したがって、赤外エネルギーの発生が少ないということは、安定性が高いか、温度が低いかのどちらかであると考えられる。
図3.15 ナフィオンと水の赤外発光画像
試料は室温で平衡化されている。画像の中央を水平に走る黒い帯は、予想される排除層の位置に相当する。
図3.15に見られるEZの低い赤外線放射は、温度の低下では説明できない。この記録は実験中の長時間に渡って平均化されているので、EZとバルク水ゾーンの間の温度差は消えているはずだ。放射率の違いは、より妥当な説明であると思われる。つまり、EZはバルク水よりも規則正しく、結晶性が高いということである。
(iv) 磁気共鳴イメージング。磁気共鳴画像法（MRI）は、腫瘍の画像化に用いられる技術である。この技術の特許を取得したパイオニアであるレイモンド・ダマディアンは、水の性質が環境ごとに異なることを利用して、空間的なイメージングを可能にすることを発案した。今回のMRI実験では、検査部位にゲルと隣接する水を配置した。MRIはパルス磁場を与え、水の原子核を励起し、その陽子を基底状態にまで緩和させる。この緩和時間から、近傍の分子との相対的な運動制限の度合いを知ることができる。MRIコンピュータは、この制限データを再構築して画像を作成する。
図3.16 緩和時間のマップを示す
暗い領域は緩和時間が短いことを意味し、より制限されていることを意味する。この図は、中央部に暗い帯があることを示している。この帯は、EZの幅と位置と一致している。どうやら、EZ内の分子は、EZを越えた水分子よりも制限を受けるようだ。
図3.16 MRIによる緩和時間のマップ
キャピラリーチューブの下半分をポリビニルアルコールゲルで満たし、上半分を水で満たした。ゲルのEZに相当する暗いバンドは、より多くの分子制限を示している。
この結論は、決してユニークなものではない。以前の研究では、物質表面からさらに長い距離にわたって同様の制限があることが報告されており11、また、私たちの研究室からのその後の報告では12、表面近くの水が「化学シフト」を示すことが分かっている（これは、別の化学種を示唆する専門用語）。磁気共鳴法では、EZ水とバルク水の間に大きな違いがあることが明らかにされている。
(v) 粘度流動性の度合いを反映する粘度も測定した。例えば、蜂蜜は水よりも粘性が高い。EZの粘度がバルクの水と異なるかどうかを調べるために、落球式粘度測定法という手法を用った。小さな容器の底にナフィオンシートを敷き、その中に水を満たす。その中に、高分子材料の球体を投下した。球体はほぼ一定の速度で下降するが、排除層の領域に入ると徐々に速度が低下する（図3.17）。速度が低下するということは、粘度が高くなることを意味する。このことから、EZ水はバルク水よりも高い粘性を持つことがわかった。
図3.17 EZの粘性特性（斜線部）
ナフィオン表面から様々な高さの水中での粘度を測定した（赤の曲線）。排除層をほとんど、あるいは全く示さない表面でコントロール（緑色の曲線）を得た。
(vi) 光学的特徴。ロシアの2つのグループが、排除層の屈折率（光を曲げる性質）を独自に測定した。13,14両グループとも、EZはバルク水よりも約10%高い屈折率を持っていることを見出した。屈折率が高いということは、通常、密度が高いということであり、このことは、EZの水がバルクの水よりも密度が高いことを示唆している。
6つの実験セット（詳細は別項4参照）はすべて、排除層内の水と排除層外の水の性質が異なっていることを示している。その違いは顕著である。分子運動が制限され、光の吸収スペクトルが紫外可視光と赤外域で異なり、屈折率も高いのである。このように、EZはバルクの水とは根本的に異なっている。液体の水とは似て非なるものなのだ。
排除層における秩序
EZの性質を説明するために、私たちが有力視していた仮説は「秩序水」であった。先ほどの実験結果は、水の秩序化と矛盾しないように思われたが、これらの実験は構造的な問題を直接扱うものではなかった。そのためには、他の種類の証拠が必要だった。
私たちには、秩序を疑うに足る十分な実験的根拠があった。ホー・メイワン（Mae-wan Ho）の素晴らしい著書、『虹と虫』（The Rainbow and the Worm）15 は、すでに長距離秩序を示す証拠を提示している。Ho（図3.18）は、高感度な偏光顕微鏡を使用した。偏光顕微鏡は、特に鉱物の秩序を検出するための標準的な方法である。原理は簡単で、分子構造が並んでいれば、並んだ方向と直交する方向の光学的性質が異なる、いわゆる複屈折が生じるからだ。Hoは、ワームの体内の広大な領域に構造的な並びがあることを示し、観察された並びは、主に水の並びからきていると結論づけた。図3.19は、彼女の著書からの画像である。
図3.18 Maewan Ho.
【原図参照】
図3.19 干渉色に基づく液晶相の検出を最適化するために設置された偏光顕微鏡下の孵化したてのショウジョウバエの幼虫
色は、水を含む本質的にすべての分子が整列していることを示す。特定の色は、分子の整列の方向とその複屈折の度合いに依存する。詳しくは、Ho15 pp. 219-221.
Hoに刺激されてこの現象を調べるために、私たちは独自の偏光顕微鏡システムを立ち上げ、ナフィオン近傍の水の秩序化を探った。感度不足のためか、明確な複屈折を示さない実験もあったが、Hoの観察を裏付けるような良好な結果を得た実験もあった。図3.20は、ナフィオン界面から遠い水は青色で表示され、優先的な分子配向がないことを示している。一方、界面に近い水は緑色で、優先的に分子配向していることを示している。この秩序化された領域は、ナフィオンのすぐ近くにある排除層に相当する。つまり、排除層内の水は、より遠くにあるバルクの水よりも秩序化されている。
図3.20 矢印型のナフィオンシート（破線で示す）の水中での偏光顕微鏡観察
青色は分子の配向がランダムであることを示し、赤色（右のスケール参照）は最も高度な分子秩序を示す。
図3.20の秩序化領域は、水の分子サイズからすると非常に大きなものである。水分子の大きさは、0.25～0.3ナノメートル（1ミリメートルの100万分の1以下）という微小なものであることを考えると、その大きさがよくわかる。図中の秩序ある領域は、この水分子の約100万個に相当し、サッカー場数十面分のビー玉が並んでいるようなものだ。
このような長距離秩序化の理論的妥当性を論じた論文が2つある。1つは、材料科学分野のパイオニアである故Rustum Royの論文である。Royと彼の同僚たち16は、ある種の表面が鋳型のような効果を持ち、溶融材料を広範な結晶配列に秩序づけることができるという前例があることを強調した。このプロセスは、ケイ素などの半導体材料によく用いられ、現代の集積回路を可能にしている。また、溶融したアルミニウムにも応用されている。普通の氷ができるのも、これと同じような過程である。こうした前例から、ロイたちは、テンプレートに基づく水分子の秩序化を示唆したのである。そして、それは必然であるとした。
物理化学的な観点と多くの実験結果から、Ling17は同様の結論に達した。それは、表面から核生成される水分子の秩序が広範囲に及ぶというものだ。理想的な条件下では、その秩序は膨大な距離にまで及ぶことがある。つまり、秩序化しようとする性質が、無秩序化しようとする性質を容易に凌駕することができる。
この2つの論文は、私たちが観察した分子秩序を理論的に裏付けるものである。また、一般に長距離秩序化は不可能と考えられていることに対しても、反論を投げかけている。しかし、その一方で、未解決の問題も残っている。実験的証拠も、これらの理論的考察も、以下のような疑問に答えてはくれない。水分子はいったいどのように秩序化しているのか？水分子は単に積み重なるだけなのか？それとも、もっと巧妙な再編成が行われているのだろうか？これらの疑問に対する答えは、これから得られるだろう。
反省点
現代化学の教科書で育ってきた人たちには、ほとんどピンとこないかもしれないね。教科書は、私たちが発見したこととは全く異なることを暗示しているのである。二重層理論が強調されているため、帯電した表面の隣には、数層以上の水分子は組織化されないだろうと推測されているのだ。そして、その数層の向こう側では、たいしたことは起こっていないはずだというのだ。
しかし、その一方で、水にはそれほどありふれたものではない性質があることも、科学者たちは認識し始めている。本書の冒頭で紹介されているような、水を媒体とする多くの現象は、これまで説明のつかないものだった。このような背景から、現在では、水の持つ意外な性質がよりオープンに考えられるようになってきている。
長距離秩序の証拠に基づき、次の章では、驚くほど氷に似たEZ構造が発見された。しかし、それは氷ではない。氷のような秩序は、氷山の一角であることがわかった。その駆動源は、日常生活でよく使われるエネルギーであり、誰にでも理解できるシンプルなものであることがわかった。
用語解説
- アニュラス(Annulus) リング状の構造体
- 陽極(アノード) 分極された電気機器に電流を流すための電極。(慣例的に、電流の方向は電子の流れる方向と反対である）。
- アスペリティ 表面の凹凸。
- ベルヌーイハンプ 水中を移動する物体によって生じる海面の隆起。
- 複屈折 屈折率が方向によって変化する物質の光学特性。方解石や石英などの結晶性鉱物は、複屈折を示す。
- 触媒作用 触媒と呼ばれる物質が関与することにより、化学反応の速度が増加すること。触媒は反応によって消費されることはない。
- カソード 分極された電気デバイスから電流が流れ出る電極。(慣例的に、電流の流れる方向と電子の流れる方向は反対である）。
- コリジョン特性 溶液の物理的性質（凝固点、沸点など）を指す。凝集特性は溶質粒子と溶媒分子の比率に依存し、溶質の性質には大きく依存しない。
- コロイド 他の物質中に均一に分散している物質で、分散している物質は1 nm～1000 nmの粒子であることが多い。
- キュベット 断面が正方形または円形の小さな筒で、一端が密閉されており、分光測定に使用される。
- ダルトン(Daltons) 原子や分子の質量を示す標準単位。
- DC 直流。電荷の流れが周期的に反転するAC（交流）とは対照的に、電荷の流れが一方向であることを意味する。
- デュワー 保温性の高いフラスコ。高温（または低温）の液体を入れると、通常の容器に入れるよりもはるかに長い時間、高温（または低温）を維持することができる。
- 誘電体 電気絶縁体で、分極することができる。誘電体を電界中に置くと、電荷は導体のように物質中を流れるのではなく、わずかに移動し、一方ではより多くの陽性を、他方ではより多くの陰性を生み出す。
- 双極子 正と負の電荷が分離している状態。最も単純な例は、大きさは等しいが符号が反対の2つの電荷が、ある距離（通常は小さな距離）で離れている状態である。
- 昼行性 毎日。日周サイクルは、毎日繰り返されるあらゆるパターンを意味する。
- Electrode(電極) 電極。装置または材料と接触させるために使用される導電体。電流は電極を通して回路に入ったり出たりする。
- 電磁スペクトル 電磁放射のすべての可能な周波数の範囲。
- 電子陰性 マイナスの電荷を持ち、異種物質と接触するとマイナスの電位になること。また、原子または官能基が電子を引き寄せる傾向もある。
- 静電気 電荷が互いに及ぼし合う力から生じる現象。
- エンタルピー(enthalpy) 熱力学的な系の全エネルギーを示す指標で、一定の圧力下で系が使用または放出する熱の量。
- エントロピ 無秩序またはランダム性の表現で、有用な仕事をするのに利用できないシステムの熱エネルギーの尺度である。
- ファラデーケージ 外部電界を遮断するために使用される、導電性材料またはメッシュで作られた筐体。
- フェネストレーション 構造物の開口部。
- フィラメント 生物学において、タンパク質が長く連なったもの。
- 蛍光 光やその他の電磁波を吸収した物質が発光すること。
- 摩擦係数 (Friction coefficient) 2つの物体の間で、滑り摩擦を起こす力と物体を押し付ける力の比。
- ガスクラスレート 水分子のカゴの中に気体分子が閉じ込められた氷のような結晶体。
- 勾配 勾配で表すことができるあらゆる量の空間的な変化。勾配は、その勾配の急さと方向を表す。
- 熱容量 ある物質の温度を1℃上げるのに必要な熱量。
- 六量体 6つのサブユニットで構成されるもの。
- 均質なもの 組成が均一であること。
- 水和 水分の供給と保持。
- ヒドロニウムイオン(H3O+) 水のプロトン化により生成されるイオン。
- ヒドロキシルイオン（OH-） 水素原子に酸素原子が共有結合している負電荷のイオン。
- 入射 物理学では、表面に衝突するもの。例えば、光線の入射。
- 界面(Interfacial) 物質または空間の2つの部分の間の境界に関するもの。
- 電離層(Ionosphere) 太陽放射によって電離された大気上層部。
- 格子(Lattice) ある領域または空間全体に分布する粒子または物体の規則的、周期的な構成。特に結晶性固体におけるイオンまたは分子の配列。
- 発光ダイオード(LED) 半導体光源。
- ルミノール（C8H7N3O2） ルミノール（C8H7N3O2）：適切な酸化剤と混合すると青色発光を示す多用途の化学物質。
- 平均二乗 平均二乗: 一組の数値の二乗の平均値。
- 核となるもの 核となるもの、出発点となるもの。
- 浸透 溶媒分子が、通常は膜を通して、より溶質濃度の高い領域へ移動すること。
- 酸化物 少なくとも1つの酸素原子と他の元素を含む化学化合物。
- 光電効果 電磁エネルギーを吸収した結果、物質から電子が放出されること。
- 光子 電磁波の微小なエネルギーの塊で、しばしば光に関連して使われる。
- 極 電池の正極と負極の2つの端子
- ポリアクリル酸 アクリル酸の合成高分子ポリマーの総称。
- 高分子 サブユニットの繰り返しからなる大きな分子。
- 析出物 溶液中に固体物質が形成され、通常は底に沈殿すること。
- 焦電 化学において、ある種の物質が加熱または冷却されたときに電荷を発生する傾向。
- ラマン分光法 ラマン分光法: 振動、回転、およびその他の低周波の振動モードを研究するために使用される技術。
- 屈折率 光やその他の電磁波が媒質を通過する際の伝わり方を表す数値。
- 半導体 導体と絶縁体の中間に位置する電気伝導性を持つ物質。
- 溶媒 溶質を溶解させる物質。
- 化学量論的複合体 ある物質の構成要素の比率が一定であることを指す。
- 化学量論 化学反応の反応物と生成物の相対的な量のことで、通常、整数で示される。
- 表面エネルギー 物質の表面における、バルクと比較して過剰なエネルギー。
- 熱力学 熱に関する自然科学の一分野であり、熱と他のエネルギーや仕事との関係を扱う。
- チキソトロピー 十分な揺れや剪断によって乱されると流動するゲルの特性。
- 変換器 あるエネルギー形態を別の形態に変換する装置。
- トライボエレクトリック効果 ある物質が別の物質と摩擦することによって帯電する接触帯電の一種。
- 小胞 小胞：特に液体を含む小さな袋。
- 仕事 本来は「高さ方向に持ち上げられた重量」であるが、より一般的には力とその力の方向への変位の積である。
ジェラルド・ポラック博士のその他のタイトル
細胞、ゲル、そして生命のエンジン – 2001年
ベストセラーとなった本書は、細胞がどのように機能するかについて、現在の常識に挑戦し、先見性と挑発性に富み、かつ分かりやすい方法で説明している。細胞機能の根底にあるのは水であることが示されている。
筋肉と分子 – 1990年
筋肉がどのように収縮するかについて、広く受け入れられている理解を覆し、よりシンプルな構成に置き換えた、受賞に値する一冊。この新しい構成は、実験的証拠によく合致しているだけでなく、一般的な筋肉の機能不全の基礎を理解するための基礎となるものである。
エブナー・アンド・サンズ出版社では、新刊やニュースについて案内している
さて、次は何をしようか？
私は、あなたが本書を読むことによって、その制作が愛の労働であったことを大いに期待している
もし、もっと知りたいということであれば、次のような方法がある。
- 1) 私のワシントン大学の研究室のホームページを見てほしい。そこでは、最新の開発状況や最近発表された論文を読むことができ、水の研究分野で何が起こっているのか、一般的な情報を得ることができる。
- 2) ウォータージャーナルをチェックする そこでは、水をテーマとした様々な著者による記事を見つけることができる。
- 3) Annual Conference on the Physics, Chemistry, and Biology of Water（水の物理学、化学、生物学に関する年次会議）に参加する。年に一度、水に関する最新の知見が報告される、活発な会議である。講演の無料ダウンロードができる。
- 4) 「水の第四相」について私が行った講演やインタビューはこちら。
- TEDx
- マーコラ博士とのインタビュー
- ワシントン大学賞受賞講演
- 水と電気講演
- 水と健康についての講演
- 5) 出版社のサイトにある私のブログ
- 6) それからもちろん、私のフェイスブックページも常にある。
それでは、次回まで
ジェラルド・ポラック（Gerald Pollack）
ジェラルド・ポラック教授は、科学雑誌『WATER』の創刊編集長であり、科学と工学における国際的リーダーとして知られている。
2008年には、ワシントン大学教授陣から毎年最高の栄誉である「教授講演賞」を受賞した。また、散逸系の熱力学で2012年にプリゴジン・メダルも受賞している。また、ロシアのエカテリンブルクにあるウラル国立大学から名誉博士号を授与され、最近ではロシア科学アカデミーの名誉教授、スルプスカアカデミーの外国人会員に任命されている。また、米国医用生体工学研究所の創設フェローであり、米国心臓協会と生体医用工学協会のフェローでもある。最近、水に関する研究でNIH Director’s Transformative R01 Awardを受賞し、シアトルに活発な研究室を構えている。
ポラックの関心は、生体運動や細胞生物学から、生体表面と水溶液の相互作用まで、幅広く及んでいる。1990年に出版された『筋肉と分子』（原題：Muscles and Molecules: 1990年の著書『筋肉と分子：生物学的運動の原理を解明する』は、技術コミュニケーション学会から「優秀賞」を受賞し、続く『細胞、ゲル、生命のエンジン』では同学会の「特別賞」を受賞した。
ポラックは、ダイナミックな講演者として、また、事実にそぐわない長年のドグマに挑戦する科学者として、世界中で認められている。