Yaşam boyu çiftçilerden arka bahçe bahçıvanlarına kadar, çoğu bitki sever, bir tarlaya, sebze arsa veya flowerpot’a organik madde eklemenin toprağın nemini arttırdığını bilir. Şimdi, ilk kez, Northwestern Üniversitesi bilim adamları, organik maddenin toprağın su tutma yeteneğini artırmasını sağlayan moleküler mekanizmaları ortaya çıkardılar-çöl benzeri koşullarda bile. Çalışma dergide yayınlandı PNAS Nexus.
Ekip, karbonhidratlar – bitkilerin ve mikropların anahtar bileşenleri – organik moleküller ve toprak mineralleri arasında yapışkan köprüler oluşturmak için su kullanarak moleküler bir tutkal gibi çalışır. Bu köprüler, aksi takdirde buharlaşabilecek nemde kilitlenir. Keşif, kuraklık sırasında toprakların nasıl nemli kaldığına ve hatta Mars ve göktaşlarında da dahil olmak üzere dünyadaki diğer kayalarda hapsolmuş milyarlarca yıl boyunca nasıl hayatta kalmış olabileceğine ışık tutuyor.
Northwestern’den Ludmilla Aristilde, “Topraklardaki doğru miktarda mineral ve organik madde iyi nemle sağlıklı topraklara yol açıyor.” Dedi. “Bu herkesin yaşadığı bir şey, ancak bunun nasıl çalıştığının fiziğini ve kimyasını tam olarak anlamadık. Bunu çözerek, toprağı doğru kimyaya sahip olmak için potansiyel olarak mühendislik yapabilir ve nemi koruyan uzun süreli süngerlere dönüştürebiliriz.”
Çevre Süreçlerinde Organik Dinamikleri Uzmanlığı Aristilde, Northwestern McCormick Mühendislik Okulu’nda sivil ve çevre mühendisliği doçentidir ve Sentetik Biyoloji Merkezi, Uluslararası Nanoteknoloji Enstitüsü ve Paula M. Trienens Enstitüsü Sürdürülebilirlik ve Enerji Enstitüsü’nün bir üyesidir. Son Doktora Mezun Sabrina Kelch ve doktora sonrası araştırmacı Benjamin Barrios-Cerda-her ikisi de Aristilde’nin laboratuvarından-sırasıyla makalenin birinci ve ikinci yazarlarıdır.
Su tutma köprüleri
Çalışmayı yürütmek için Aristilde’nin ekibi, üç tip karbonhidrat tipi topraklarda bulunan ortak bir kil mineralini (smektit) karıştırdı: glikoz, amiloz ve amilopektin. Glikoz basit bir karbonhidrat veya şeker olmakla birlikte, amiloz ve amilopektin, glikoz birimlerini birbirine bağlamaktan yapılmış nişasta içinde karmaşık polimerlerdir. Amiloz uzun, doğrusal bir glikoz zinciridir; Amilopektin de uzun bir zincirdir, ancak ağaç benzeri dallara sahiptir.
Aristilde, “Karbonhidratları bir tür organik madde olarak kullanmaya karar verdik çünkü her yerde var.” Dedi. “Dünyadaki en bol biyopolimer olan selüloz glikozdan yapılmıştır ve bitkiler ve mikroplar toprağa farklı, basit ila karmaşık karbonhidratları salgılar. Ayrıca, bazı yan reaksiyonlarla sonuçlarımızı karmaşıklaştırmaktan kaçınmak için basit kimyaya sahip oldukları için karbonhidratları seçtik.”
Moleküler dinamik simülasyonları, kuantum mekaniği ve laboratuvar deneylerinin bir kombinasyonunu kullanarak Aristilde ve ekibi, kil mineralleri, su molekülleri ve üç tip karbonhidrat bileşiği arasındaki nano ölçekli etkileşimleri inceledi. Bilim adamları, hidrojen bağlarının kil ve karbonhidratların suya tutulmasını sağlayan anahtar bir mekanizma sağladığını buldular.
Zayıf, çekici bir kuvvet, hidrojen bağları, su moleküllerini bir damlacık oluşturmak veya bir musluktan akmak için bir araya getirir. Aristilde’nin ekibi, aynı zamanda kil mineralleri ve karbonhidratların yüzeyi ile hidrojen bağları oluşturarak iki varlık arasında su köprüleri oluşturduğunu keşfetti. Bu köprüler suda daha sıkı bir şekilde kilitlenir ve buharlaşma yoluyla kaybolma olasılığını azaltır.
Aristilde, “Bir su molekülü bir karbonhidrat ile bir hidrojen bağı ve bir mineral yüzeyi ile bir hidrojen bağı ile tutulduğunda, bu su güçlü bir bağlanma enerjisine sahiptir ve etkileşime girdiği iki şey arasında sıkışır.” Dedi.
Karmaşık şeker quintuples bağ kuvvetleri
Araştırmacılar, moleküler simülasyonları kullanarak kil mineral yüzeyi ile karbonhidratlar arasında konan su moleküllerinin, sadece kile bağlı suya kıyasla daha güçlü bağlanma enerjisine sahip olduğunu buldular. Aslında, karmaşık şeker polimerleri, kili, ilişkili bir karbonhidrat olmadan kilden beş kat daha sıkı bir şekilde bağlamasına yardımcı oldu. Son derece kuru koşullarda bile, kil ve karbonhidratlara bağlı suyun buharlaşma olasılığı çok daha düşüktür ve kilin nanoporlarında sıkışıp kalma olasılığı daha yüksektir.
Aristilde, “Karbonhidratların varlığında ve yokluğunda su kaybını ölçmek için sıcaklığı arttırdık.” Dedi. “Kil ile karşılaştırıldığında, su için kil ve karbonhidratların varlığı ile matrisi bırakması daha yüksek sıcaklıklar gerektiriyordu. Bu, karbonhidratların varlığında suyun daha güçlü bir şekilde tutulduğu anlamına geliyor.”
Dallı ve uzun zincirli karbonhidratlar ayrıca kilin gözeneklerinin kuru koşullarda tamamen çökmesini önledi. Tipik olarak, kil kurudukça, nano ölçekli gözenekleri gözeneklerden artan su kaybı ile küçülür. Ancak karmaşık karbonhidratlar, kil nanoporunun tam çökmesini önleyebilir. Bu, kuraklıklar da dahil olmak üzere, gözeneklerdeki sıkışmış organiklerle ilişkili nemin tutulmasının korunmasına yardımcı olabilir.
Bu yeni bilgiler sadece kendi gezegenimizdeki toprağı anlamamıza yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda güneş sistemimiz ve ötesindeki komşular hakkında yeni bilgiler de sağlayabilir.
Aristilde, “Amacımız Dünya’daki toprağın neme nasıl dayandığını anlamak olsa da, burada ortaya çıkardığımız mekanizmaların gezegenimizin ötesinde fenomenleri anlamada etkileri olabilir.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Organikler ve su arasındaki bu ilişkinin diğer gezegenlerde – özellikle de bir zamanlar hayatı barındırdığı düşünülenler üzerinde nasıl oynayabileceğine çok ilgi var.”
