Wissenschaftler entdecken, dass Wassermoleküle die Materialien um uns herum definieren

Seit Jahrzehnten vertreten Physik und Chemie die Auffassung, dass die Atome und Moleküle, aus denen die natürliche Welt besteht, den Charakter fester Materie bestimmen. Salzkristalle erhalten ihre kristalline Qualität durch die Ionenbindung zwischen Natrium- und Chloridionen, Metalle wie Eisen oder Kupfer erhalten ihre Festigkeit durch die metallischen Bindungen zwischen Eisen- oder Kupferatomen und Gummi erhält seine Dehnbarkeit durch die flexiblen Bindungen innerhalb der Polymere, aus denen der Gummi besteht. Das gleiche Prinzip gilt für Materialien wie Pilze, Bakterien und Holz.

So lautet zumindest die Geschichte.

Ein neues Papier veröffentlicht in Natur stellt dieses Paradigma auf den Kopf und argumentiert, dass der Charakter vieler biologischer Materialien tatsächlich durch das Wasser entsteht, das diese Materialien durchdringt. Wasser lässt einen Feststoff entstehen und definiert anschließend die Eigenschaften dieses Feststoffs, behält aber gleichzeitig seine flüssigen Eigenschaften bei. In ihrer Arbeit gruppieren die Autoren diese und andere Materialien in eine neue Klasse von Materie, die sie „Hydratationsfeststoffe“ nennen, die ihrer Meinung nach „ihre strukturelle Steifigkeit, das bestimmende Merkmal des Festkörpers, von der Flüssigkeit erhalten, die ihre Poren durchdringt.“ Das neue Verständnis der biologischen Materie kann dabei helfen, Fragen zu beantworten, die Wissenschaftler seit Jahren beschäftigen.

„Ich denke, das ist ein wirklich besonderer Moment in der Wissenschaft“, sagte Ozgur Sahin, Professor für Biowissenschaften und Physik und einer der Autoren des Papiers. „Es vereint etwas unglaublich Vielfältiges und Komplexes mit einer einfachen Erklärung. Es ist eine große Überraschung, ein intellektuelles Vergnügen.“

Steven G. Harrellson, der kürzlich sein Doktorstudium an der Physikabteilung der Columbia University abgeschlossen hat und Autor der Studie ist, nutzte die Metapher eines Gebäudes, um die Entdeckung des Teams zu beschreiben: „Wenn man sich biologische Materialien wie einen Wolkenkratzer vorstellt, sind die molekularen Bausteine.“ sind die Stahlrahmen, die sie halten, und Wasser zwischen den molekularen Bausteinen ist die Luft im Inneren der Stahlrahmen. Wir haben herausgefunden, dass manche Wolkenkratzer nicht von ihren Stahlrahmen getragen werden, sondern von der Luft in diesen Rahmen.“

„Diese Idee mag schwer zu glauben sein, aber sie löst Rätsel und hilft, die Existenz aufregender Phänomene in Materialien vorherzusagen“, fügte Sahin hinzu.

Wenn Wasser in flüssiger Form vorliegt, herrscht in seinen Molekülen ein feines Gleichgewicht zwischen Ordnung und Unordnung. Wenn sich die Moleküle, aus denen biologische Materialien bestehen, jedoch mit Wasser verbinden, kommt Ordnung ins Gleichgewicht: Wasser möchte in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren. Dadurch verdrängen die Wassermoleküle die Moleküle der biologischen Materie. Diese treibende Kraft, Hydratationskraft genannt, wurde in den 1970er Jahren identifiziert, ihre Auswirkungen auf biologische Materie galten jedoch als begrenzt. Das Argument dieser neuen Arbeit, dass die Hydratationskraft fast vollständig den Charakter biologischer Materie definiert, einschließlich ihrer Weichheit oder Härte, ist daher überraschend.

Wir wissen seit langem, dass biologische Materialien Umgebungsfeuchtigkeit absorbieren. Denken Sie zum Beispiel an eine Holztür, die sich bei feuchter Witterung ausdehnt. Diese Forschung zeigt jedoch, dass das Umgebungswasser für den Charakter von Holz, Pilzen, Pflanzen und anderen natürlichen Materialien eine viel zentralere Rolle spielt, als wir jemals wussten.

Das Team stellte fest, dass die Platzierung von Wasser in der Vorder- und Mitte es ihnen ermöglichte, die Eigenschaften bekannter organischer Materialien mit sehr einfachen mathematischen Mitteln zu beschreiben. Frühere Modelle zur Wechselwirkung von Wasser mit organischer Materie erforderten fortschrittliche Computersimulationen, um die Eigenschaften des Materials vorherzusagen. Die Einfachheit der Formeln, die das Team gefunden hat, um diese Eigenschaften vorherzusagen, lässt darauf schließen, dass sie etwas auf der Spur sind.

Um ein Beispiel zu nennen: Das Team fand heraus, dass die einfache Gleichung E=Al/λ genau beschreibt, wie sich die Elastizität eines Materials basierend auf Faktoren wie Feuchtigkeit, Temperatur und Molekülgröße ändert. (E bezieht sich in dieser Gleichung auf die Elastizität eines Materials; A ist ein Faktor, der von der Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebung abhängt; l ist die ungefähre Größe biologischer Moleküle und λ ist die Entfernung, über die Hydratationskräfte ihre Stärke verlieren).

„Je mehr wir an diesem Projekt arbeiteten, desto einfacher wurden die Antworten“, sagte Harrellson und fügte hinzu, dass diese Erfahrung „in der Wissenschaft sehr selten ist“.

Die neuen Erkenntnisse gingen aus Professor Sahins fortlaufender Forschung zum seltsamen Verhalten von Sporen, ruhenden Bakterienzellen, hervor. Seit Jahren untersuchen Sahin und seine Studenten Sporen, um zu verstehen, warum sie sich bei Zugabe von Wasser stark ausdehnen und sich bei Wasserentzug zusammenziehen. Vor einigen Jahren sorgten Sahin und seine Kollegen für Aufsehen in den Medien, weil sie sich diese Fähigkeit zunutze machten, um kleine, motorähnliche, von Sporen angetriebene Vorrichtungen zu erschaffen.

Etwa im Jahr 2012 beschloss Sahin, einen Schritt zurückzutreten und zu fragen, warum sich die Sporen so verhalten, wie sie es tun. Zu ihm gesellten sich die Forscher Michael S. DeLay und Xi Chen, Autoren der neuen Arbeit, die damals Mitglieder seines Labors waren. Ihre Experimente lieferten keine Lösung für das mysteriöse Verhalten der Sporen. „Am Ende standen wir vor mehr Rätseln als zu Beginn“, erinnert sich Sahin. Sie steckten fest, aber die Geheimnisse, denen sie begegneten, deuteten darauf hin, dass es etwas gab, das es wert war, verfolgt zu werden.

Nachdem er jahrelang über mögliche Erklärungen nachgedacht hatte, kam Sahin auf die Idee, dass die Rätsel, auf die das Team immer wieder stieß, erklärt werden könnten, wenn die Hydratationskraft die Art und Weise regelte, wie sich Wasser in den Sporen bewegte.

„Als wir das Projekt anfangs in Angriff nahmen, erschien es uns unglaublich kompliziert. Wir versuchten, mehrere unterschiedliche Effekte zu erklären, jeder mit seiner eigenen, unbefriedigenden Formel. Als wir anfingen, Hydratationskräfte zu nutzen, konnten alle alten Formeln abgeschafft werden. Als nur Hydratation.“ „Als wir noch Kräfte übrig hatten, fühlte es sich an, als ob unsere Füße endlich den Boden berührten. Es war erstaunlich und eine große Erleichterung; die Dinge ergaben einen Sinn“, sagte er.

Die Ergebnisse des Papiers gelten für große Teile der Welt um uns herum: Hygroskopische biologische Materialien – also biologische Materialien, die Wasser in sich hinein- und herauslassen – machen potenziell 50 bis 90 % der lebenden Welt um uns herum aus, einschließlich aller des Holzes der Welt, aber auch andere bekannte Materialien wie Bambus, Baumwolle, Tannenzapfen, Wolle, Haare, Fingernägel, Pollenkörner in Pflanzen, die Außenhaut von Tieren sowie Bakterien- und Pilzsporen, die diesen Organismen beim Überleben und bei der Fortpflanzung helfen.

Der in der Arbeit geprägte Begriff „Hydratationsfeststoffe“ bezieht sich auf jedes natürliche Material, das auf die umgebende Luftfeuchtigkeit reagiert. Mit den Gleichungen, die das Team identifiziert hat, können sie und andere Forscher nun die mechanischen Eigenschaften von Materialien anhand grundlegender physikalischer Prinzipien vorhersagen. Bisher galt dies vor allem für Gase, dank der bekannten allgemeinen Gasgleichung, die Wissenschaftlern seit dem 19. Jahrhundert bekannt ist.

„Wenn wir im Wald spazieren gehen, stellen wir uns die Bäume und Pflanzen um uns herum als typische Feststoffe vor. Diese Forschung zeigt, dass wir uns diese Bäume und Pflanzen eigentlich als Wassertürme vorstellen sollten, die Zucker und Proteine ​​an Ort und Stelle halten“, sagte Sahin , „Es ist wirklich eine Welt des Wassers.“