ماده بیولوژیکی در دسته جدیدی به نام جامدات هیدراتاسیون

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، یک مطالعه اخیر استدلال می کند که موادی مانند چوب، باکتری ها و قارچ ها متعلق به دسته ای از مواد هستند که به تازگی شناسایی شده اند، (جامدات هیدراتاسیون).

برای سال های متمادی، حوزه های فیزیک و شیمی بر این باور بودند که خواص مواد جامد اساساً توسط اتم ها و مولکول هایی که از آنها تشکیل شده اند تعیین می شود. به عنوان مثال، ماهیت کریستالی نمک به پیوند یونی تشکیل شده بین یون های سدیم و کلرید مربوط می شود. به طور مشابه، فلزاتی مانند آهن یا مس، استحکام خود را مدیون پیوندهای فلزی بین اتم های مربوطه خود هستند و خاصیت ارتجاعی لاستیک ها از پیوندهای انعطاف پذیر در پلیمرهایی که آنها را تشکیل می دهند، ناشی می شود. این اصل در مورد موادی مانند قارچ ها، باکتری ها و چوب نیز صدق می کند.

مقاله جدیدی که اخیراً در Nature منتشر شده است، این الگو را تغییر می دهد و استدلال می کند که ویژگی بسیاری از مواد بیولوژیکی در واقع توسط آبی که در این مواد نفوذ می کند ایجاد می شود.

در مقاله خود، نویسندگان این مواد و مواد دیگر را در دسته جدیدی از مواد قرار می دهند که آن را (جامدات هیدراتاسیون) می نامند، که به گفته آنها سفتی ساختاری، مشخصه تعیین کننده حالت جامد، از سیالی که در منافذ آنها نفوذ می کند، به دست می آید. درک جدید از ماده بیولوژیکی می تواند به سوالاتی که سال ها دانشمندان را درگیر خود کرده پاسخ دهد.

استیون جی. هارلسون که اخیراً تحصیلات دکترا را در دپارتمان فیزیک کلمبیا به پایان رسانده و نویسنده این مطالعه است، از استعاره یک ساختمان برای توصیف یافته های تیم استفاده کرد: اگر به مواد بیولوژیکی مانند آسمان خراش فکر می کنید، بلوک های ساختمان مولکولی قاب های فولادی هستند که آنها را بالا نگه می دارند و آب بین بلوک های ساختمانی مولکولی، هوای داخل قاب های فولادی است. ما متوجه شدیم که برخی آسمان خراش ها توسط قاب های فولادی خود پشتیبانی نمی شوند، بلکه توسط هوای درون آن قاب ها پشتیبانی می شوند.

وقتی آب به شکل مایع است، مولکول های آن تعادل خوبی بین نظم و بی نظمی برقرار می کنند. اما وقتی مولکول هایی که مواد بیولوژیکی را تشکیل می دهند با آب ترکیب می شوند، تعادل را به سمت نظم می کشند: آب می خواهد به حالت اولیه خود بازگردد. در نتیجه، مولکول های آب، مولکول های ماده بیولوژیکی را دور می کنند. این نیروی رانده که نیروی هیدراتاسیون نامیده می شود، در دهه 1970 شناسایی شد، اما تصور می شد تأثیر آن بر مواد بیولوژیکی محدود باشد. استدلال این مقاله جدید مبنی بر اینکه نیروی هیدراتاسیون چیزی است که تقریباً به طور کامل خصوصیات ماده بیولوژیکی را مشخص می کند، از جمله اینکه چقدر نرم یا سخت است، بنابراین جای تعجب دارد. ما مدت هاست که می دانیم که مواد بیولوژیکی رطوبت محیط را جذب می کنند.

پروفسور اوزگور شاهین گفت: وقتی در جنگل قدم می زنیم، درختان و گیاهان اطراف خود را جامدات معمولی تصور می کنیم. این تحقیق نشان می دهد که ما باید واقعاً به آن درختان و گیاهان به عنوان برج هایی از آب فکر کنیم که قندها و پروتئین ها را در جای خود نگه می دارند.

یافته های جدید از تحقیقات مداوم پروفسور شاهین در مورد رفتار عجیب هاگ ها، سلول های باکتریایی خفته به دست آمده است. شاهین و شاگردانش سال ها روی هاگ ها مطالعه کرده اند تا بفهمند چرا وقتی آب به آن ها اضافه می شود به شدت منبسط می شوند و وقتی آب حذف می شود منقبض می شوند.

در حوالی سال 2012، شاهین تصمیم گرفت یک گام به عقب بردارد تا بپرسد چرا هاگ ها به گونه ای رفتار می کنند. مایکل اس. دیلی و شی چن، نویسندگان مقاله جدید، که در آن زمان اعضای آزمایشگاه او بودند، به او پیوستند. آزمایشات آنها راه حلی برای رفتار مرموز هاگ ها ارائه نکرد. شاهین به خاطر می آورد: ما در نهایت با اسرار بیشتری نسبت به زمانی که شروع کردیم به پایان رسیدیم. آنها گیر کرده بودند، اما رمز و رازهایی که با آنها مواجه شدند به این نکته اشاره می کرد که چیزی وجود دارد که ارزش دنبال کردن را داشته باشد.

پس از سال ها تعمق در توضیح های بالقوه، به شاهین رسید که اگر نیروی هیدراتاسیون بر نحوه حرکت آب در هاگ ها حاکم باشد، می توان اسرارهایی را که تیم دائماً با آنها روبرو می شد توضیح داد.

تیم مجبور شد برای آزمایش این ایده آزمایش های بیشتری انجام دهد. در سال 2018، هارلسون، که اکنون یک مهندس نرم افزار در شرکت تجزیه و تحلیل داده Palantir است، به این پروژه پیوست.

زمانی که ما در ابتدا به پروژه پرداختیم، به نظر غیرممکن به نظر می رسید که پیچیده باشد. ما سعی داشتیم چندین اثر مختلف را توضیح دهیم که هر کدام فرمول رضایت بخش خود را دارند. هنگامی که ما شروع به استفاده از نیروهای هیدراتاسیون کردیم، هر یک از فرمول های قدیمی را می توان از بین برد. وقتی فقط نیروهای هیدراتاسیون باقی مانده بود، احساس می کردیم که بالاخره پاهایمان به زمین خورد. شگفت انگیز بود و تسکین بزرگی. همه چیز منطقی بود.

یافته های این مقاله در مورد مقادیر عظیمی از جهان اطراف ما اعمال می شود: مواد بیولوژیکی هیگروسکوپی، یعنی مواد بیولوژیکی که اجازه ورود و خروج آب را می دهند، به طور بالقوه بین 50 تا 90 درصد از جهان زنده اطراف ما را تشکیل می دهند. از چوب دنیا، اما همچنین مواد آشنای دیگری مانند بامبو، پنبه، مخروط کاج، پشم، مو، ناخن، دانه های گرده گیاهان، پوست بیرونی حیوانات و اسپورهای باکتریایی و قارچی که به زنده ماندن و تولیدمثل این موجودات کمک می کنند.

اصطلاح ابداع شده در مقاله، جامدات هیدراتاسیون، برای هر ماده طبیعی که به رطوبت محیط اطراف خود پاسخ می دهد، اطلاق می شود. با معادلاتی که این تیم شناسایی کردند، آنها و سایر محققان اکنون می توانند خواص مکانیکی مواد را از اصول اولیه فیزیک پیش بینی کنند. به لطف معادله عمومی شناخته شده گاز که از قرن نوزدهم برای دانشمندان شناخته شده است، این امر عمدتاً در مورد گازها صادق بود.

مرجع: (مواد جامد هیدراتاسیون) نوشته Steven G. Harrellson, Michael S. DeLay, Xi Chen, Ahmet-Hamdi Cavusoglu, Jonathan Dworkin, Howard A. Stone and Ozgur Sahin, 7 June 2023, Nature.