Молекулы воды определяют материалы вокруг нас

По крайней мере, так гласит история.

Новая статья, опубликованная сегодня в Природа переворачивает эту парадигму и утверждает, что свойства многих биологических материалов на самом деле создаются 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 группируют эти и другие материалы в новый класс материи, который они называют «гидратированными твердыми телами», которые, по их словам, «приобретают структурную жесткость, определяющую характеристику твердого состояния, от жидкости, пронизывающей их». поры». Новое понимание биологической материи может помочь ответить на вопросы, которые преследовали ученых в течение многих лет.

«Я думаю, что это действительно особенный момент в науке», — сказал Озгур Шахин, профессор биологических наук и физики и один из авторов статьи. «Это объединяет нечто невероятно разнообразное и сложное с простым объяснением. Это большой сюрприз, интеллектуальное наслаждение».

Стивен Дж. Харрелсон, недавно получивший докторскую степень на физическом факультете Колумбийского университета и являющийся автором исследования, использовал метафору здания, чтобы описать открытие команды: «Если вы думаете о биологических материалах как о небоскребе, молекулярное здание 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 может показаться трудным поверить, но она раскрывает загадки и помогает предсказать существование интересных явлений в материалах», — добавил Сахин.

Когда вода находится в жидкой форме, ее молекулы обеспечивают тонкий баланс между порядком и беспорядком. Но когда молекулы, образующие биологические материалы, соединяются с водой, они склоняют чашу весов в сторону порядка: вода хочет вернуться в исходное состояние. В результате молекулы воды отталкивают молекулы биологического вещества. Эта толкающая сила, названная силой гидратации, была обнаружена в 1970-х годах, но считалось, что ее влияние на биологическую материю ограничено. Таким образом, аргумент этой новой статьи о том, что сила гидратации — это то, что почти полностью определяет характер биологической материи, в том числе ее мягкость или твердость, становится неожиданным.

Мы давно знаем, что биологические материалы поглощают влагу из окружающей среды. Подумайте, например, о деревянной двери, которая расширяется во время влажного периода. Однако это исследование показывает, что окружающая вода играет гораздо более важную роль в характере древесины, 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 проявляют знакомые органические материалы, с помощью очень простой математики. Предыдущие модели взаимодействия воды с органическим веществом требовали передового компьютерного моделирования для прогнозирования свойств материала. Простота формул, которые обнаружила команда, позволяет предсказать эти свойства, предполагает, что они что-то понимают.

Возьмем один пример: команда обнаружила, что простое уравнение E=Al/λ точно описывает, как меняется эластичность материала в зависимости от таких факторов, как влажность, температура и размер молекул. (E в этом уравнении имеется в виду эластичность материала; A – фактор, зависящий от температуры и влажности окружающей среды; l приблизительный размер биологических молекул и λ — расстояние, на котором силы гидратации теряют свою силу).

«Чем больше мы работали над этим проектом, тем проще становились ответы», — сказал Харрелсон, добавив, что этот опыт «очень редок в науке».

Новые результаты стали результатом продолжающихся исследований 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 добавляют воду, и сжимаются, когда воду удаляют. (Несколько лет назад Сахин и его коллеги привлекли внимание средств массовой информации за использование этой возможности для создания небольших приспособлений, похожих на двигатели, работающих на спорах.)

Примерно в 2012 году Шахин решил сделать шаг назад и задаться вопросом, 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 загадочное поведение спор. «В итоге у нас оказалось больше загадок, чем в начале», — вспоминает Сахин. Они застряли, но загадки, с которыми они столкнулись, намекали, что есть что-то, к чему стоит стремиться.

После многих лет обдумывания возможных объяснений Шахину пришло в голову, что загадки, с которыми постоянно сталкивалась команда, можно было бы объяснить, если бы сила гидратации определяла способ движения воды в спорах.

Команде пришлось провести больше экспериментов, чтобы проверить эту идею. В 2018 году к проекту присоединился Харрелсон, который сейчас работает инженером-программистом в аналитической компании Palantir.

«Когда мы первоначально взялись за этот проект, он казался невероятно сложным. Мы пытались объяснить несколько различных эффектов, каждый из которых имел свою неудовлетворительную формулу. Как только мы начали использовать силы гидратации, каждую из старых формул можно было убрать. остались силы гидратации, казалось, что наши ноги наконец коснулись земли. Это было потрясающе, и все обрело смысл», — сказал он.

Результаты этих экспериментов привели команду и их сотрудников к этой статье. Помимо Харрелсона, Делэя, Чена и Шахина, другими авторами статьи являются Ахмет-Хамди Чавушоглу, Джонатан Дворкин и Говард А. Стоун. Адам Дрикс из Чикагского университета Лойолы, который также участвовал в исследованиях, скончался до завершения работы. Финансирование исследования было предоставлено Управлением науки и фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США; Управлением военно-морских исследований; Национальными институтами здравоохранения; и программой стипендий Дэвида и Люсиль Паккард.

Выводы статьи применимы к огромному количеству окружающего нас мира: гигроскопические биологические материалы, то есть биологические материалы, которые позволяют воде проникать и выходить из них, потенциально составляют от 50% до 90% живого мира вокруг нас, включая все мировой древесины, но и других знакомых материалов, таких как бамбук, хлопок, сосновые шишки, шерсть, волосы, ногти, пыльцевые зерна растений, внешняя кожа животных, а также бактериальные и грибковые споры, которые помогают этим организмы выживают и размножаются.

Термин, придуманный в статье, «гидратированные твердые вещества», 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 прогнозировать механические свойства материалов на основе основных принципов физики. До сих пор это относилось главным образом к газам благодаря известному общему уравнению газа, известному ученым еще с XIX века.^й век.

«Когда мы гуляем по лесу, мы думаем о деревьях и растениях вокруг нас как о типичных твердых телах. Это исследование показывает, что нам действительно следует думать об этих деревьях и растениях как о башнях с водой, удерживающих на месте сахара и белки», Шахин сказал: «Это действительно водный мир».