Eine neue Klasse von Materie bringt die Wissenschaft durcheinander

Eine aktuelle Studie argumentiert, dass Materialien wie Holz, Bakterien und Pilze zu einer neu identifizierten Stoffklasse gehören, den „wässrigen Feststoffen“.

Viele Jahre lang glaubte man in der Physik und Chemie, dass die Eigenschaften von Festkörpern in erster Linie durch die Atome und Moleküle bestimmt werden, aus denen sie bestehen. Beispielsweise wird die kristalline Natur von Salz auf die ionische Bindung zurückgeführt, die zwischen den Natrium- und Chloridionen gebildet wird. Ebenso verdanken Metalle wie Eisen oder Kupfer ihre Härte den metallischen Bindungen zwischen ihren jeweiligen Atomen, und die Elastizität von Gummi beruht auf den elastischen Bindungen in den Polymeren, aus denen sie bestehen. Dieses Prinzip gilt auch für Materialien wie Pilze, Bakterien und Holz.

So lautet zumindest die Geschichte.

Ein neues Papier wurde kürzlich veröffentlicht in Natur Er dreht dieses Modell um und argumentiert, dass die Natur vieler biologischer Materialien tatsächlich durch das Wasser entsteht, das diese Materialien durchdringt. Wasser erzeugt einen Feststoff und definiert weiterhin die Eigenschaften dieses Feststoffs, während es seine flüssigen Eigenschaften beibehält.

In ihrer Arbeit gruppieren die Autoren diese und andere Materialien in eine neue Klasse von Materie, die sie „Hydratationsfeststoffe“ nennen, die ihrer Meinung nach „die Härte ihrer Struktur, das Kennzeichen des festen Zustands, durch die Flüssigkeit gewinnen, die ihre Poren durchdringt.“ “ Ein neues Verständnis der biologischen Materie könnte dazu beitragen, Fragen zu beantworten, die Wissenschaftler seit Jahren beschäftigen.

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

Die neuen Erkenntnisse gehen aus Professor Shaheens fortlaufender Forschung über das seltsame Verhalten von Sporen, den schlafenden Bakterienzellen, hervor, die hier beschrieben werden. Bildnachweis: Shi Chen

Stephen G. Harrelson, der kürzlich sein Doktoratsstudium am Columbia Department of Physics 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, ist das molekulare Gebäude.“ Blöcke sind die Stahlrahmen, die sie zusammenhalten, und das Wasser zwischen den molekularen Bausteinen.

Shaheen fügte hinzu: „Diese Idee mag schwer zu glauben sein, aber sie löst Rätsel und hilft, das Vorhandensein interessanter Phänomene in Materialien vorherzusagen.“

Wenn Wasser in flüssiger Form vorliegt, herrscht in seinen Molekülen ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Ordnung und Unordnung. Wenn sich jedoch die Moleküle, aus denen biologische Materialien bestehen, mit Wasser verbinden, verschieben sie das Gleichgewicht in Richtung des Systems: Das Wasser möchte in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren. Dadurch verdrängen Wassermoleküle Moleküle biologischer Materie. Diese treibende Kraft, Rehydrationskraft genannt, wurde in den 1970er Jahren identifiziert, man ging jedoch davon aus, dass ihre Wirkung auf biologische Materie begrenzt ist. Das Argument dieser neuen Arbeit, dass die Stärke des Wassers fast die gesamte Natur der biologischen Materie bestimmt, 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 während einer Regenperiode ausdehnt. Diese Forschung zeigt jedoch, dass das umgebende Wasser für die Eigenschaften von Holz, Pilzen, Pflanzen und anderen natürlichen Materialien weitaus wichtiger ist, als wir bisher wussten.

Das Team stellte fest, dass die Positionierung des Wassers in der Mitte es ihnen ermöglichte, die Eigenschaften bekannter organischer Materialien mit sehr einfacher Arithmetik 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, kann diese Eigenschaften vorhersagen und darauf hinweisen, dass sie in etwas vorhanden sind.

Spirit Island, Jasper Nationalpark, Kanada. „Wenn wir im Wald spazieren gehen, stellen wir uns die Bäume und Pflanzen um uns herum als typische Feststoffe vor“, sagte Professor Ozgur Şahin. „Diese Forschung zeigt, dass wir uns diese Bäume und Pflanzen eigentlich als Wassertürme vorstellen sollten, die Zucker und Proteine ​​an Ort und Stelle halten.“ Bildnachweis: Terry Ott

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

„Je mehr wir an diesem Projekt arbeiten, desto einfacher werden die Antworten“, sagte Harrelson und fügte hinzu, dass das Experiment „in der Wissenschaft sehr selten“ sei.

Die neuen Erkenntnisse gingen aus Professor Shaheens fortlaufender Forschung über das seltsame Verhalten von Keimen und ruhenden Bakterienzellen hervor. Seit Jahren untersuchen Shaheen und seine Studenten Mikroben, um zu verstehen, warum sie sich stark ausdehnen, wenn ihnen Wasser hinzugefügt wird, und sich zusammenziehen, wenn ihnen Wasser entzogen wird. (Vor einigen Jahren sorgten Shaheen und seine Kollegen für Aufsehen in den Medien, weil sie sich diese Fähigkeit zunutze machten, um winzige, sporenbetriebene, motorähnliche Geräte zu erschaffen.)

Etwa im Jahr 2012 beschloss Shaheen, 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, die Autoren der neuen Arbeit, die damals Mitglieder seines Labors waren. Ihre Experimente lieferten keine Lösung für das mysteriöse Verhalten von Keimen. „Am Ende hatten wir mehr Rätsel als zu Beginn“, erinnert sich Shaheen. Sie steckten fest, aber die Rätsel, mit denen sie konfrontiert waren, deuteten darauf hin, dass es etwas gab, das es wert war, verfolgt zu werden.

Nachdem er jahrelang über mögliche Erklärungen nachgedacht hatte, kam Shaheen zu dem Schluss, dass die Rätsel, mit denen das Team ständig konfrontiert ist, erklärt werden könnten, wenn die Kraft der Hydratation die Art und Weise kontrolliert, wie sich das Wasser in den Sporen bewegt.

Das Team musste weitere Experimente durchführen, um die Idee zu testen. Im Jahr 2018 schloss sich Harrelson, heute Softwareentwickler beim Datenanalyseunternehmen Palantir, dem Projekt an.

„Als wir uns dem Projekt zum ersten Mal näherten, kam es uns unglaublich kompliziert vor. Wir versuchten, mehrere unterschiedliche Effekte zu erklären, von denen jeder seine eigene unbefriedigende Formel hatte. Als wir anfingen, die feuchtigkeitsspendenden Kräfte zu nutzen, konnten alle alten Formeln entfernt werden. Als nur die feuchtigkeitsspendende Wirkung galt „Wir hatten keine Kräfte mehr, wir hatten das Gefühl, dass unsere Füße endlich den Boden berührten. Es war erstaunlich und so entspannend; die Dinge ergeben einen Sinn“, sagte er.

Die Ergebnisse dieser Experimente führten das Team und seine Mitarbeiter zu dieser Arbeit. Weitere Autoren des Papiers sind neben Harrellson, DeLay, Chen und Sahin Ahmet Hamdi Cavusoglu, Jonathan Durkin, Howard A. Sechzig. Adam Drex von der Loyola University Chicago, der ebenfalls an der Forschung beteiligt war, starb, bevor die Arbeit abgeschlossen war.

Die Ergebnisse des Papiers gelten für weite Teile der Welt um uns herum: Hygroskopische Biomaterialien – also biologische Materialien, die Wasser ein- und ausströmen lassen – machen potenziell 50 bis 90 % der Lebewesen um uns herum aus, einschließlich der gesamten Welt Holz, aber auch andere bekannte Materialien wie Bambus, Baumwolle, Tannenzapfen, Wolle, Haare, Nägel, Pollen 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 „wasserhaltige Feststoffe“ bezieht sich auf jedes natürliche Material, das auf die umgebende Feuchtigkeit reagiert. Mithilfe der vom Team ermittelten Gleichungen können sie und andere Forscher die mechanischen Eigenschaften von Materialien anhand grundlegender Prinzipien der Physik vorhersagen. Bisher galt dies vor allem für Gase, dank der bekannten allgemeinen Gasgleichung, die Wissenschaftler seit dem 19. Jahrhundert kennen.

„Wenn wir durch den Wald 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 Türme aus Wasser vorstellen sollten, die Zucker und Proteine ​​an Ort und Stelle halten“, sagte Shaheen. Es ist wirklich eine Wasserwelt.“

Referenz: „Hydration Solids“ von Stephen G. Harrelson, Michael S. Delay, Shi Chen, Ahmet Hamdi Cavusoglu, Jonathan Durkin, Howard A. Stone und Ozgur Sahin, 7. Juni 2023, hier verfügbar. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06144-y

Die Studie wurde vom US-Energieministerium, dem Office of Naval Research und finanziert Nationales Gesundheitsinstitutund die David and Lucille Packard Foundation.