یافته شگفتانگیز هوش مصنوعی: آب شاید در سطح مولکولی ترکیبی از دو مایع باشد
زومیت: آب یکی از آشناترین و در عین حال اسرارآمیزترین مواد روی زمین است. تقریباً همه ما آب را یک مایع ساده با فرمول شیمیایی H2O میدانیم، اما دانشمندان دههها پیش متوجه شدند که رفتار آب آنقدر غیرعادی است که ممکن است کاملاً درست نباشد.
اکنون، برای اولین بار، محققان شواهدی را در سطح مولکولی یافته اند که از یک فرضیه قدیمی پشتیبانی می کند: اینکه آب ممکن است به طور مداوم بین دو نوع مختلف ساختار مایع حرکت کند.
در نگاه اول، آب رفتاری کاملا طبیعی دارد. اما از دیدگاه فیزیک و شیمی، این ماده مجموعه ای از خواص غیرمنتظره را نشان می دهد که بسیاری از آنها با رفتار مایعات دیگر سازگار نیستند. به عنوان مثال، تقریباً تمام مایعات به تدریج منقبض می شوند و با سرد شدن متراکم تر می شوند. اما آب تا 4 درجه سانتی گراد متراکم تر می شود و با سرد شدن دوباره منبسط می شود. به همین دلیل، یخ سبکتر از آب مایع است و روی سطح آن شناور است. اگر این ویژگی وجود نداشت، دریاچه ها و رودخانه ها از کف یخ می زدند و زندگی بسیاری از موجودات آبزی در خطر جدی قرار می گرفت.
آب همچنین گرمای زیادی را ذخیره می کند، نسبت به بسیاری از مایعات مشابه در برابر تغییرات دما مقاومت بیشتری دارد و ویسکوزیته آن در فشارهای خاص به طور غیرمنتظره ای تغییر می کند.
دانشمندان تاکنون دهها خاصیت غیرعادی دیگر را برای آب شناسایی کردهاند و سالها این سوال را مطرح کردهاند که آیا همه این رفتارهای عجیب دلیل مشترکی دارند؟
یکی از مهمترین توضیحات ارائه شده، فرضیه دو حالتی است که بیان می کند آب همیشه ساختار ثابتی در مقیاس مولکولی ندارد، بلکه مولکول های آن دائماً بین دو آرایش متفاوت در حال حرکت هستند. در یک حالت، مولکول ها محکم تر در کنار هم قرار می گیرند و آب متراکم تر است. در حالت دیگر، فاصله بین مولکول ها کمی بیشتر است و ساختار بازتر با چگالی کمتر تشکیل می شود.
با کمک هوش مصنوعی، تحقیقات جدید از فرضیه دو حالت آب پشتیبانی می کند: یکی از ساختارها متراکم تر و دیگری چگالی کمتری دارد و دائماً در حال تغییر هستند.
نکته مهم این است که «دو مایع» به معنای وجود دو لایه مجزا در داخل لیوان آب نیست. این دو حالت پیوسته در مقیاس مولکولی و در کسری از ثانیه به یکدیگر تغییر می کنند و چشم انسان هرگز آنها را به صورت دو مایع مستقل نمی بیند.
با وجود جذابیت فرضیه دو حالتی، اثبات آن بسیار دشوار بوده است. زیرا تغییر آرایش مولکول های آب در زمان بسیار کوتاه و در مقیاس بسیار کم اتفاق می افتد.
به گزارش LiveScience، شیائو چنگ زنگ، فیزیکدان شیمی در دانشگاه سیتی هنگ کنگ که سال ها در مورد آب تحقیق کرده است، فرضیه دو حالت را برای آزمایش مستقیم بسیار پیچیده دانست. حدود دو سال و نیم پیش، او پروژه تحقیقاتی خود را به لی ون لی، محقق فوق دکتری در گروه خود سپرد.
لی پیشنهاد کرد از یادگیری عمیق بدون نظارت به جای روش های سنتی استفاده شود. برخلاف بسیاری از سیستمهای هوش مصنوعی که با پاسخهای از پیش برچسبگذاری شده آموزش دیدهاند، این نوع هوش مصنوعی پاسخ آمادهای دریافت نمیکند و باید الگوهای پنهان در دادهها را به تنهایی کشف کند.
محققان با استفاده از نرمافزار شبیهسازی GROMACS، حرکت و تعامل صدها هزار مولکول آب را مدلسازی کردند. این شبیه سازی ها ده ها میلیون نقطه داده را تولید کرد که تجزیه و تحلیل آنها با روش های مرسوم تقریبا غیرممکن بود. کاری که ممکن بود در گذشته به سال ها زمان و گروه بزرگی از دانش آموزان نیاز داشته باشد، در حدود یک سال و نیم با کمک هوش مصنوعی انجام شد. Zeng تخمین میزند که بدون هوش مصنوعی، همین تحلیل میتوانست نزدیک به یک دهه طول بکشد.
پس از تجزیه و تحلیل داده ها، هوش مصنوعی مجموعه ای از متغیرهای کلیدی را استخراج کرد که محققان آن را مختصات پاسخ می نامند. به بیان ساده، این متغیرها مانند یک نقشه عمل میکنند و دقیقاً نشان میدهند که چگونه مولکولهای آب از ساختاری متراکم به ساختاری بازتر تغییر شکل میدهند و دوباره برمیگردند.
محققان همچنین دریافتند که تغییر در ساختار مولکول های آب همیشه از طریق یک مسیر انجام نمی شود. در بیشتر موارد، تبدیل بین دو ساختار از مسیر نسبتاً مستقیمی پیروی می کند که محققان آن را نیم دایره می نامند. در این مورد، مولکول ها فقط باید از یک مانع انرژی عبور کنند. اما وقتی آب به شرایطی نزدیک میشود که دو ساختار تقریباً پایدار هستند، یعنی شرایطی مشابه مرز بین آب مایع و یخ در حدود صفر درجه سانتیگراد، مسیر دیگری ظاهر میشود. در این حالت، مولکول ها می توانند از مسیر پیچیده تری به نام حلقه کامل عبور کنند که شامل سه مانع انرژی است.
اما آیا اکنون این فرضیه ثابت شده است؟ هنوز نه اگرچه تحقیقات اخیر قویترین شواهد محاسباتی را ارائه کرده است، دانشمندان تاکید میکنند که این نتایج باید با آزمایشهای مستقیم و بسیار حساس برای اثبات نهایی تأیید شوند. محققان اکنون در حال توسعه مدلهای پیشرفتهتر یادگیری ماشینی هستند و امیدوارند این یافتهها را با اندازهگیریهای آزمایشگاهی مقایسه کنند.
ممکن است کسی فکر کند که تحقیقات جدید فقط یک موضوع نظری در فیزیک یا شیمی است، اما در واقع پیامدهای گسترده ای دارد. تقریباً تمام واکنش های بیولوژیکی بدن انسان در محیط آب انجام می شود. پروتئین ها، DNA، نمک ها، یون ها و مولکول های دارو همگی با آب تعامل دارند. اگر ساختار واقعی آب با آنچه تاکنون فکر می کردیم متفاوت باشد، درک ما از بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی نیز دقیق تر خواهد شد. به عنوان مثال، چنین دانشی می تواند در آینده به طراحی بهتر داروهای تزریقی، درک دقیق تر عملکرد سلول، بهبود مدل های شیمیایی و حتی ساخت مواد جدید کمک کند.
