מדענים תמוהים כבר למעלה מ-50 שנה – תעלומה כימית "הגביע הקדוש" נפתרה

תעלומה שתמהה את הקהילה המדעית כבר למעלה מ-50 שנה נפתרה סוף סוף. צוות מאוניברסיטת לינקופינג, שבדיה והלמהולץ מינכן גילה שסוג מסוים של תגובה כימית יכולה להסביר מדוע חומר אורגני שנמצא בנהרות ובאגמים כל כך עמיד בפני השפלה. המחקר שלהם פורסם בכתב העת טֶבַע.

"זהו הגביע הקדוש בתחום המחקר שלי כבר למעלה מ-50 שנה", אומר נורברט הרטקורן, מדען בכימיה אנליטית בעבר בהלמהולץ מינכן וכיום באוניברסיטת לינקופינג.

בואו ניקח את זה מההתחלה. כאשר, למשל, עלה מתנתק מעץ ונופל ארצה, הוא מתחיל להתפרק מיד. לפני שהעלה מתפרק, הוא מורכב מכמה אלפי ביו-מולקולות ברורות; מולקולות שניתן למצוא ברוב החומרים החיים.

פירוק העלה מתרחש במספר שלבים. חרקים ומיקרואורגניזמים מתחילים לצרוך אותו, בעוד שאור השמש והלחות משפיעים על העלה וגורמים להתמוטטות נוספת. בסופו של דבר, המולקולות מהעלה המפורק נשטפות לנהרות, אגמים ואוקיינוסים.

תעלומת טרנספורמציה כימית נפרמה

עם זאת, בשלב זה, אלפי הביו-מולקולות הידועות הפכו למיליוני מולקולות בעלות מראה שונה מאוד עם מבנים מורכבים ולרוב לא ידועים. תהליך השינוי הכימי הדרמטי הזה נשאר בגדר תעלומה שבלבלה את החוקרים במשך יותר מחצי מאה, עד עכשיו.

"כעת אנו יכולים להבהיר כיצד כמה אלפי מולקולות בחומר חי יכולות להוליד מיליוני מולקולות שונות שהופכות במהירות עמידות מאוד להתדרדרות נוספת", אומר נורברט הרטקורן.

הצוות גילה שסוג מסוים של תגובה, המכונה dearomatization חמצוני, עומד מאחורי התעלומה. למרות שהתגובה הזו נחקרה ויושמה בהרחבה בסינתזה פרמצבטית, ההתרחשות הטבעית שלה נותרה בלתי נחקרה.

במחקר, החוקרים הראו כי dearomatization חמצוני משנה את המבנה התלת מימדי של חלק ממרכיבי הביו-מולקולה, אשר בתורו יכול להפעיל מפל של תגובות עוקבות ומובחנות, וכתוצאה מכך מיליוני מולקולות מגוונות.

ממצאי מחקר וטכניקות

מדענים האמינו בעבר כי הדרך לחומר אורגני מומס כרוכה בתהליך איטי עם תגובות עוקבות רבות. עם זאת, המחקר הנוכחי מצביע על כך שהשינוי מתרחש מהר יחסית.

הצוות בדק חומר אורגני מומס מארבעה יובלים של נהר האמזונס ושני אגמים בשוודיה. הם השתמשו בטכניקה הנקראת תהודה מגנטית גרעינית (NMR) כדי לנתח את המבנה של מיליוני מולקולות מגוונות. באופן מדהים, ללא קשר לאקלים, המבנה הבסיסי של החומר האורגני המומס נשאר עקבי.

"המפתח לממצאים היה השימוש הלא קונבנציונלי ב-NMR בדרכים המאפשרות מחקרים על הפנים העמוק של מולקולות אורגניות מומסות גדולות – ובכך למפות ולכמת את הסביבה הכימית סביב אטומי הפחמן", מסביר סייו לי, מדען במרכז הלמהולץ ומוביל. מחבר המחקר.

בביומולקולות, אטומי פחמן יכולים להיות מחוברים לארבעה אטומים אחרים, לרוב למימן או חמצן. עם זאת, להפתעת הצוות, חלק גבוה מאוד של אטומי הפחמן האורגני לא היה מחובר למימן כלשהו אלא בעיקר לאטומי פחמן אחרים. מסקרן במיוחד היה המספר הגדול של אטומי פחמן הקשורים ספציפית לשלושה פחמנים אחרים ולחמצן אחד אָטוֹםמבנה נדיר מאוד בביומולקולות.

לדברי דייוויד בסטוויקן, פרופסור לשינוי סביבתי באוניברסיטת לינקופינג, הדבר הופך את החומר האורגני ליציב, מה שמאפשר לו להתמיד לאורך זמן ומונע ממנו לחזור במהירות לאטמוספירה כפחמן דו חמצני או מתאן.

"התגלית הזו עוזרת להסביר את שקעי הפחמן האורגני המשמעותיים בכוכב הלכת שלנו, שמפחיתים את כמות הפחמן הדו חמצני באטמוספרה", אומר דיוויד בסטוויקן.

מימון: אלכסנדר פון Humboldt-Stiftung, Vetenskapsrådet, מועצת המחקר האירופית