Ett mysterium som har förbryllat forskarsamhället i mer än 50 år har äntligen lösts. Ett team från Linköpings universitet, Sverige, och Helmholtz München har upptäckt att en viss typ av kemisk reaktion kan förklara varför organiskt material som finns i floder och sjöar är så motståndskraftigt mot nedbrytning. Deras studie har publicerats i tidskriften Nature .
"Detta har varit den heliga gralen inom mitt forskningsområde i över 50 år", säger Norbert Hertkorn, forskare i analytisk kemi tidigare vid Helmholtz München och för närvarande vid Linköpings universitet.
Låt oss ta det från början. När till exempel ett löv lossnar från ett träd och faller till marken börjar det brytas ner direkt. Innan bladet bryts ned består det av några tusen distinkta biomolekyler; molekyler som finns i de flesta levande materia.
Nedbrytningen av bladet sker i flera faser. Insekter och mikroorganismer börjar konsumera det, medan solljus och fukt påverkar bladet och orsakar ytterligare nedbrytning. Så småningom sköljs molekylerna från det nedbrutna bladet ut i floder, sjöar och hav.
Men vid denna tidpunkt har de tusentals kända biomolekylerna omvandlats till miljontals mycket olika molekyler med komplexa och typiskt okända strukturer. Denna dramatiska kemiska omvandlingsprocess har förblivit ett mysterium som har förvirrat forskare i över ett halvt sekel, tills nu.
"Nu kan vi belysa hur ett par tusen molekyler i levande materia kan ge upphov till miljontals olika molekyler som snabbt blir mycket resistenta mot ytterligare nedbrytning", säger Hertkorn.
Teamet upptäckte att en specifik typ av reaktion, känd som oxidativ dearomatisering, ligger bakom mysteriet. Även om denna reaktion länge har studerats och tillämpats omfattande i farmaceutisk syntes, förblev dess naturliga förekomst outforskad.
I studien visade forskarna att oxidativ dearomatisering förändrar den tredimensionella strukturen hos vissa biomolekylkomponenter, vilket i sin tur kan aktivera en kaskad av efterföljande och differentierade reaktioner, vilket resulterar i miljontals olika molekyler.
Forskare trodde tidigare att vägen till löst organiskt material involverade en långsam process med många sekventiella reaktioner. Den aktuella studien tyder dock på att omvandlingen sker relativt snabbt.
Teamet undersökte löst organiskt material från fyra bifloder till Amazonfloden och två sjöar i Sverige. De använde en teknik som kallas kärnmagnetisk resonans (NMR) för att analysera strukturen hos miljontals olika molekyler. Anmärkningsvärt nog, oavsett klimatet, förblev den grundläggande strukturen hos det lösta organiska materialet konsekvent.
"Nyckeln till resultaten var den okonventionella användningen av NMR på ett sätt som tillåter studier av det djupa inre av stora lösta organiska molekyler - och därigenom kartlägga och kvantifiera den kemiska omgivningen runt kolatomerna", förklarar Siyu Li, forskare vid Helmholtz Zentrum och huvudförfattare. av studien.
I biomolekyler kan kolatomer kopplas till fyra andra atomer, oftast till väte eller syre. Till teamets förvåning var dock en mycket hög andel av de organiska kolatomerna inte kopplade till något väte utan istället primärt till andra kolatomer. Särskilt spännande var det stora antalet kolatomer bundna specifikt till tre andra kol och en syreatom, en struktur som är mycket sällsynt i biomolekyler.
Enligt David Bastviken, professor i miljöförändring vid Linköpings universitet, gör detta det organiska materialet stabilt, gör att det kan bestå under lång tid och förhindrar att det snabbt återgår till atmosfären som koldioxid eller metan.
"Denna upptäckt hjälper till att förklara de betydande organiska kolsänkorna på vår planet, som minskar mängden koldioxid i atmosfären", säger Bastviken.
Mer information: Dearomatisering driver komplexitetsgenerering i sötvattens organiskt material, Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07210-9
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Linköpings universitet
