|
Молекулы воды определяют материю вокруг нас
|
|
|
|
На протяжении десятилетий представители физики и химии утверждали, что атомы и молекулы, составляющие мир природы, определяют характер твердой материи. Кристаллы соли приобретают свои кристаллические свойства благодаря ионной связи между ионами натрия и хлорида, металлы, такие как железо или медь, получают свою прочность благодаря металлическим связям между атомами железа или меди, а эластичность каучуков обеспечивается гибкими связями внутри полимеров, из которых состоит каучук. Тот же принцип применим к таким материалам, как грибки, бактерии и древесина. Новая статья, опубликованная в журнале Nature, переворачивает эту парадигму и утверждает, что характер многих биологических материалов на самом деле создается водой, которая пропитывает эти материалы. Вода порождает твердое тело и продолжает определять свойства этого твердого тела, сохраняя при этом его жидкие характеристики. В своей статье авторы объединяют эти и другие материалы в новый класс веществ, которые они называют «твердые вещества гидратации», которые, по их словам, «приобретают свою структурную жесткость, определяющую характеристику твердого состояния, благодаря жидкости, пронизывающей их поры». Новое понимание биологической материи может помочь ответить на вопросы, которые годами преследовали ученых.
|
|
|
|
«Я думаю, что это действительно особенный момент в науке», — сказал Озгур Сахин, профессор биологических наук и физики и один из авторов статьи. «Это объединение чего-то невероятно разнообразного и сложного с простым объяснением. Это большой сюрприз, интеллектуальное наслаждение». Стивен Г. Харреллсон, который недавно защитил докторскую диссертацию на физическом факультете Колумбийского университета и является автором исследования, использовал метафору здания, чтобы описать открытие группы: «Если вы думаете о биологических материалах как о небоскребе, молекулярные строительные блоки — это стальные каркасы, которые их удерживают, а вода между молекулярными строительными блоками — это воздух внутри стальных каркасов. Мы обнаружили, что некоторые небоскребы поддерживаются не стальными каркасами, а воздухом внутри этих каркасов». «В эту идею трудно поверить, но она разрешает загадки и помогает предсказать существование интересных явлений в материалах», — добавил Шахин.
|
|
|
Когда вода находится в жидкой форме, ее молекулы прекрасно балансируют между порядком и беспорядком. Но когда молекулы, образующие биологические материалы, соединяются с водой, они склоняют чашу весов в сторону порядка: вода хочет вернуться в свое первоначальное состояние. В результате молекулы воды отталкивают молекулы биологического вещества. Эта выталкивающая сила, называемая силой гидратации, была обнаружена в 1970-х годах, но считалось, что ее воздействие на биологическую материю ограничено. Аргумент этой новой статьи о том, что сила гидратации почти полностью определяет характер биологической материи, включая ее мягкость или твердость, кажется неожиданным. Нам давно известно, что биологические материалы поглощают влагу из окружающей среды. Подумайте, например, о деревянной двери, которая расширяется во время влажного периода. Это исследование, однако, показывает, что окружающая вода играет гораздо более важную роль в характере дерева, грибов, растений и других природных материалов, чем мы когда-либо знали.
|
|
|
|
Команда обнаружила, что размещение воды на переднем плане и в центре позволило им описать характеристики, которые демонстрируют знакомые органические материалы, с помощью очень простой математики. Предыдущие модели взаимодействия воды с органическим веществом требовали продвинутого компьютерного моделирования для предсказания свойств материала. Простота формул, которые команда обнаружила, может предсказать эти свойства, предполагает, что они что-то делают. Возьмем один пример: команда обнаружила, что простое уравнение E=Al/лямбда точно описывает, как эластичность материала изменяется в зависимости от таких факторов, как влажность, температура и размер молекулы. (E в этом уравнении относится к эластичности материала; A — коэффициент, зависящий от температуры и влажности окружающей среды; l — примерный размер биологических молекул, лямбда — расстояние, на котором силы гидратации теряют свою силу). «Чем больше мы работали над этим проектом, тем проще становились ответы», — сказал Харреллсон, добавив, что такой опыт «очень редко встречается в науке».
|
|
|
|
Новые результаты появились в результате продолжающегося исследования профессора Сахина странного поведения спор, спящих бактериальных клеток. В течение многих лет Шахин и его ученики изучали споры, чтобы понять, почему они сильно расширяются, когда к ним добавляется вода, и сжимаются, когда воду удаляют. Несколько лет назад Шахин и его коллеги привлекли внимание средств массовой информации к использованию этой возможности для создания небольших приспособлений, похожих на двигатели, приводимых в действие спорами. Примерно в 2012 году Шахин решил сделать шаг назад, чтобы спросить, почему споры ведут себя именно так. К нему присоединились исследователи Майкл С. Делэй и Си Чен, авторы новой статьи, которые тогда были сотрудниками его лаборатории. Их эксперименты не дали ответа на вопрос о загадочном поведении спор. «В итоге у нас оказалось больше загадок, чем когда мы начинали», — вспоминает Шахин. Они застряли, но тайны, с которыми они столкнулись, намекали на то, что есть что-то стоящее. После многих лет размышлений о возможных объяснениях Сахину пришло в голову, что тайны, с которыми постоянно сталкивалась команда, можно было бы объяснить, если бы сила гидратации управляла движением воды в спорах.
|
|
|
|
«Когда мы изначально взялись за проект, он казался невероятно сложным. Мы пытались объяснить несколько различных эффектов, каждый со своей собственной неудовлетворительной формулой. Как только мы начали использовать силы гидратации, все старые формулы можно было убрать. сил не осталось, казалось, что наши ноги наконец коснулись земли. Это было потрясающе и огромное облегчение, все обрело смысл», — сказал он. Выводы статьи применимы к огромному количеству окружающего нас мира: гигроскопичные биологические материалы, то есть биологические материалы, которые пропускают воду и выходят из них, потенциально составляют от 50% до 90% живого мира вокруг нас, включая все древесины в мире, но также и другие знакомые материалы, такие как бамбук, хлопок, сосновые шишки, шерсть, волосы, ногти, пыльцевые зерна растений, внешняя кожа животных, а также бактериальные и грибковые споры, которые помогают этим организмам выживать и размножаться.
|
|
|
|
Термин, придуманный в документе, «твердые вещества гидратации» применяется к любому природному материалу, который реагирует на влажность окружающей среды вокруг него. С помощью уравнений, которые определила команда, они и другие исследователи теперь могут предсказывать механические свойства материалов на основе основных принципов физики. До сих пор это было верно в основном для газов благодаря общеизвестному общему уравнению газа, известному ученым с XIX века. «Когда мы гуляем по лесу, мы думаем о деревьях и растениях вокруг нас как о типичных твердых телах. Это исследование показывает, что мы действительно должны думать об этих деревьях и растениях как о башнях из воды, удерживающих сахара и белки на месте», — сказал Сахин. , "Это действительно мир воды."
|
|
|
|
Источник
|
