https://fremont.hostmaster.org/articles/coulomb_water_life/he.html
אם תשפשף בלון בשיערך ותדביק אותו לקיר, ביצעת זה עתה מעשה פשוט של אלקטרוסטטיקה. הבלון נדבק כי אלקטרונים זזו, יצרו מטענים מנוגדים שמושכים זה את זה. זה טריק כיתתי מוכר – קצת חשמל סטטי חולף. אך האינטראקציה הנסתרת מאחוריו, כוח קולום, היא אחד מחוקי הטבע הבסיסיים והמרחיקי הלכת ביותר.
כוח יחיד זה, המשיכה והדחייה בין מטענים חשמליים, שולט במבנה החומר, בכימיה של החיים, ביציבות האוקיינוסים ואפילו בסופות שמשקות את היבשה. מהאטום הקטן ביותר ועד למערכת אקולוגית הגדולה ביותר, אותו עיקרון פיזיקלי קובע בשקט אם כוכב לכת יכול לחיות.
כוח קולום, על שם הפיזיקאי הצרפתי מהמאה ה-18 שארל-אוגוסטין דה קולום, פשוט לביטוי אך אינסופי בעוצמתו: מטענים מנוגדים נמשכים, מטענים דומים נדחים, ועוצמת המשיכה יורדת עם ריבוע המרחק ביניהם.
בתוך כל אטום, אלקטרונים טעונים שלילית נמשכים אל גרעינים טעונים חיובית על ידי משיכה אלקטרוסטטית זו. מכניקת הקוונטים מגדירה כיצד אלקטרונים אלה יכולים לתפוס מצבי אנרגיה ספציפיים, אך כוח קולום מספק את המסגרת עצמה שבה פועלים חוקי הקוונטים. ללא אלקטרוסטטיקה, לא היו אטומים יציבים מספיק לבנייה עליהם.
כאשר אטומים חולקים או מחליפים אלקטרונים, הם יוצרים קשרים כימיים – יוניים, קוולנטיים, מימניים או אינטראקציות ואן דר ואלס חלשות יותר שמחזיקות מולקולות גדולות יותר יחד. כל קשר כזה הוא דרך שונה לאזן מטענים חיוביים ושליליים. במובן זה, כל הכימיה, ולכן כל הביולוגיה, היא אלקטרוסטטיקה בתנועה.
מבין כל המולקולות על פני האדמה, המים הם הדוגמה העליונה להנדסה אלקטרוסטטית. כל מולקולת מים מורכבת משני אטומי מימן קשורים לאטום חמצן אחד. מאחר שהחמצן מושך אלקטרונים חזק יותר ממימן, הוא נושא מטען שלילי קל, בעוד המימנים נושאים חיוביים קלים.
חלוקה לא אחידה זו יוצרת מומנט דיפול קבוע, המאפשר למולקולות מים למשוך זו את זו דרך קשרי מימן – קשרים אלקטרוסטטיים כיווניים חזקים מספיק להחזיק אך חלשים מספיק להישבר ולהיווצר מחדש. מתחת לקשרים הכיווניים הללו שוכן ים של כוחות ואן דר ואלס עדינים, הנובעים מתנודות זעירות בענני אלקטרונים שמעוררות דיפולים חולפים.
יחד, כוחות אלה מעניקים למים לכידות יוצאת דופן. מולקולה בגודל דומה, כמו מימן גופרתי (H₂S), הייתה רותחת בסביבות –80 מעלות צלזיוס. אך מים, קשורים בכוח קולום, נשארים נוזליים בטווח הטמפרטורות שבו החיים פורחים. נהרות כדור הארץ, אוקיינוסים ותאים חבים את קיומם למשיכות חשמליות נסתרות אלה.
קוטביות המים עושה יותר מאשר להחזיק מולקולות יחד; היא גם מאפשרת להן להתפרק. הקצוות החיוביים והשליליים של מולקולת המים מקיפים יונים ממלחים ומינרלים מומסים, מושכים אותם לתמיסה.
כאשר גביש של נתרן כלורי פוגש מים, אטומי החמצן פונים אל יוני הנתרן החיוביים, בעוד המימנים פונים אל השליליים של הכלוריד. כל יון מוקף מעטפת הידרציה, מיוצב על ידי אינספור משיכות קולום זעירות בין מולקולות מים למטען היון.
תכונה זו – היכולת להמיס – הופכת את המים לממס אוניברסלי. היא מאפשרת למזינים להסתובב, לאנזימים לפעול ולתאים לתפקד. חילוף החומרים עצמו תלוי בדיפלומטיה מולקולרית זו: יונים חייבים לזוז, להגיב ולהתחבר מחדש, הכל בתיווך משיכה אלקטרוסטטית. ללא זה, האוקיינוסים היו בריכות סטריליות והביוכימיה בלתי אפשרית.
אותו כוח שמדביק בלון לקיר מאפשר לטיפת מי ים להכיל את מרכיבי החיים.
סיפור הטבע האלקטרוסטטי של המים ממשיך כלפי מעלה לאטמוספירה. למולקולת מים משקל מולקולרי של 18 גרם/מול, בעוד הממוצע לאוויר יבש – בעיקר חנקן וחמצן – הוא כ-29 גרם/מול. ההבדל הזה, קטן אך משמעותי, הופך אוויר לח להיות קל יותר מאוויר יבש.
כאשר אוויר לח עולה, הוא מתרחב ומתקרר. כאשר הוא מתקרר מספיק, אדי מים מתעבים לטיפות, יוצרים עננים. עיבוי זה משחרר חום לטנטי – אנרגיה אלקטרוסטטית מאוחסנת משבירת קשרי מימן – מה שמגביר את חום האוויר והופך אותו צף יותר.
תהליך זה המגביר את עצמו מניע קונבקציה, סופות רעמים ומחזור המים הגלובלי. הוא מעביר חום מקו המשווה לקטבים ומחזיר מים מתוקים ליבשות. ללא מסה מולקולרית קלה של מים, חום אידוי גבוה וקשרי מימן לכידים – כולם תוצרים של כוח קולום – לא היו עננים, גשם או כוכב לכת חי שמתחדש ללא הרף בסופות.
אופי האלקטרוסטטי של המים מייצר גם אחת מהתופעות הנדירות והמשמעותיות ביותר של הטבע: צורתו המוצקה פחות צפופה מצורתו הנוזלית.
כאשר מים קופאים, מולקולותיהם מסתדרות בסריג משושה פתוח, כל מולקולה קשורה בקשרי מימן לארבע אחרות. מבנה זה ממקסם יציבות אלקטרוסטטית אך משאיר מקום ריק, הופך את המוצק לקל יותר. התוצאה: קרח צף.
אנומליה זו עשויה להיראות שולית, אך היא הסיבה שכדור הארץ נשאר ראוי למגורים דרך הקפאות עמוקות. קרח צף יוצר שכבה מגנה שמבודדת את המים הנוזליים מתחת. דגים, אצות וחיידקים שורדים את החורף תחת מגן טבעי זה.
בפרקי כדור הארץ כדור השלג העתיקים, כאשר הכוכב היה כמעט מכוסה בקרח, תכונה זו מנעה מהאוקיינוסים לקפוא לחלוטין. הקרח הצף החזיר אור שמש, האט ספיגת פחמן דו-חמצני על ידי אצות פוטוסינתטיות והעניק לאטמוספירה זמן לצבור גזי חממה מהרי געש – מחמם בסופו של דבר את הכוכב שוב.
אילו קרח שקע, האוקיינוסים היו קופאים מלמטה למעלה, הורגים כמעט את כל החיים. הגיאומטריה של קשרי מימן – ביטוי ישיר של כוח קולום – הצילה ממש את הביוספרה.
לאורך זמן גיאולוגי, השמש התבהרה בכמעט שליש, אך טמפרטורת פני השטח של כדור הארץ נשארה בטווח הצר שבו מים נוזליים. יציבות זו נובעת מאינטראקציה עדינה בין פעילות ביולוגית למחזורים גיאוכימיים – כולם מבוססים על כימיה אלקטרוסטטית.
כאשר חיים פוטוסינתטיים פרחו, הם משכו CO₂ מהאוויר, מחלישים את אפקט החממה ומקררים את הכוכב. תהליכים וולקניים ומטמורפיים החזירו CO₂, מחממים אותו שוב. מחזור הפחמן-סיליקט, התרמוסטט ארוך הטווח של הכוכב, תלוי לחלוטין בתגובות כמו יצירת קרבונט והמסה – כל שלב משא ומתן של מטענים וקשרים ברמה מולקולרית.
מחיידקי גופרית מוקדמים שהשתמשו באור לחמצון גופרית דו-חמצנית ועד ציאנובקטריה שפיצלו מים ושיחררו חמצן, כל שינוי באטמוספירה של כדור הארץ מתחקה אחר אותו בסיס אלקטרוסטטי. אפילו החמצן שממלא את ריאותינו הוא תוצר לוואי של כוחות קולום הפועלים בתוך מכונת הפוטוסינתזה של מיקרובים עתיקים.
כוח קולום לא רק מקיים חיים באופן פסיבי; יצורים חיים התפתחו לנצל אותו ישירות. הדוגמה הבולטת ביותר היא הגקו, שכפות רגליו מאפשרות לו לרוץ ללא מאמץ על קירות זכוכית אנכיים.
כל אצבע גקו מכוסה במיליוני שערות מיקרוסקופיות הנקראות setae, שמתפצלות למאות ספטולות ננו-סקאלה. כאשר קצוות אלה נוגעים במשטח, האלקטרונים בכף רגל הגקו ואלה בקיר מתקשרים דרך כוחות ואן דר ואלס חולפים – משיכות אלקטרוסטטיות זעירות הנובעות מתנודות מטען זמניות.
כל כוח בודד זעיר להפליא, אך מוכפל על פני מיליארדי נקודות מגע, הם מייצרים הדבקה חזקה והפיכה. הגקו יכול להידבק, לשחרר ולהדבק מחדש את כף רגלו כמעט מיידית – ניצול ביולוגי מעודן של אותה אינטראקציה שקושרת מולקולות ומחזיקה מים יחד.
אפילו חלזונות משתמשים בעקרונות דומים, מערבבים אלקטרוסטטיקה עם כוחות קפילריים בריר שלהם לטיפוס על משטחים אנכיים. הטבע, נראה, מלא ביצורים ששולטים בשקט בחוקי הפיזיקה.
מדהים להבין שכל התופעות הללו – הבלון נדבק לקיר, נוזליות המים, ציפת הקרח, עליית העננים, כימיה של החיים ואחיזת הגקו – הן פשוט ביטויים שונים של אינטראקציה אוניברסלית אחת.
כוח קולום:
חוק אחד – מנוגדים נמשכים – עומד בבסיס הכל, מבלון של ילד ועד הישרדות החיים דרך עידני קרח כוכביים.
כוח קולום פשוט מתמטית, אך מפשטות זו נובעת מורכבות עצומה של העולם הטבעי. זה לא כוח רועם או נסי, אלא שקט ואוניברסלי – פסל סבלני הפועל בניסתר דרך כל מולקולה, כל טיפה, כל תא חי.
הוא קושר אלקטרונים של אטומים, מקפל מולקולות של חיים, מעצב עננים ואוקיינוסים ומקיים את אקלים של עולם שביר. ללא זה, לא הייתה כימיה, גשם, נשימה או מחשבה – רק קוסמוס שקט וסטרילי.
אם מחפשים סימן של אדריכל גדול, אולי הוא לא במקדשים או ניסים, אלא באפשרות עצמה – בחוקים מאוזנים באלגנטיות כזו שהם יולדים מים, אוויר ותודעה. האדריכל לא יצר אנדרטאות לסגידה; הוא יצר תנאים לחיים, וזה מה שצריך לטפח.
אותו כוח נסתר שמאפשר לבלון להידבק לקיר קושר את הימים לכוכב, את העננים לשמיים ואת דופק החיים למרקם החומר. זה החוט השקט שקושר את הפיזי לחי – הכוח הפשוט שיצר עולם חי.
הנס אינו שהיקום קיים, אלא שהוא מאפשר לעצמו להיות חי.