یک معمای شیمیایی حل شد واکنشی که ژرف های بزرگ کربن را توضیح می‌دهد

معمایی که بیش از 50 سال جامعه علمی را درگیر خود کرده بود سرانجام حل شد. تیمی از دانشگاه لینشوپینگ، سوئد و هلمهولتز مونیخ کشف کرده‌اند که نوع خاصی از واکنش شیمیایی می‌تواند توضیح دهد که چرا مواد آلی موجود در رودخانه‌ها و دریاچه‌ها تا این حد در برابر تخریب مقاوم هستند.

نوربرت هرتکورن، دانشمند شیمی تحلیلی که قبلاً در هلمهولتز مونیخ و در حال حاضر در دانشگاه لینشوپینگ است، می‌گوید: این جام مقدس برای بیش از 50 سال در زمینه تحقیقات من بوده است.

بگذارید از ابتدا آن را در نظر بگیریم. به عنوان مثال، هنگامی که برگ از درخت جدا می شود و به زمین می افتد، بلافاصله شروع به شکستن می کند. قبل از اینکه برگ تجزیه شود، از چند هزار بیومولکول مجزا تشکیل شده است. مولکول هایی که در بیشتر مواد زنده یافت می شوند.

تجزیه برگ در چند مرحله اتفاق می افتد. حشرات و میکروارگانیسم ها شروع به مصرف آن می کنند، در حالی که نور خورشید و رطوبت روی برگ تأثیر می گذارد و باعث تجزیه سریع تر می شود. در نهایت، مولکول های برگ تجزیه شده به رودخانه ها، دریاچه ها و اقیانوس ها بر می گردد.

با این حال، در این مرحله، هزاران مولکول زیستی شناخته شده به میلیون ها مولکول بسیار متفاوت با ساختارهای پیچیده و معمولاً ناشناخته تبدیل شده اند. این فرآیند تبدیل شیمیایی شگرف یک راز باقی مانده است که بیش از نیم قرن تا کنون محققان را گیج کرده است.

نوربرت هرتکورن می‌گوید: «اکنون می‌توانیم توضیح دهیم که چگونه چند هزار مولکول در ماده زنده می‌توانند میلیون‌ها مولکول مختلف را ایجاد کنند که به سرعت در برابر تخریب بیشتر بسیار مقاوم می‌شوند.»

این تیم کشف کرد که نوع خاصی از واکنش، معروف به dearomatisation اکسیداتیو، پشت این معما است. اگرچه این واکنش مدت‌هاست که به طور گسترده در سنتز دارویی مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته است، وقوع طبیعی آن ناشناخته باقی مانده است.

در این مطالعه، محققان نشان دادند که عاری‌سازی اکسیداتیو ساختار سه‌بعدی برخی از اجزای زیست مولکول را تغییر می‌دهد، که به نوبه خود می‌تواند یک آبشار از واکنش‌های بعدی و متمایز را فعال کند و منجر به میلیون‌ها مولکول متنوع شود.

دانشمندان قبلاً معتقد بودند که مسیر مواد آلی محلول شامل فرآیندی آهسته با بسیاری از واکنش‌های متوالی است. با این حال، مطالعه حاضر نشان می دهد که تحول نسبتا سریع رخ می دهد.

این تیم مواد آلی محلول را از چهار شاخه رودخانه آمازون و دو دریاچه در سوئد بررسی کردند. آنها از تکنیکی به نام تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) برای تجزیه و تحلیل ساختار میلیون ها مولکول متنوع استفاده کردند. قابل توجه است، بدون در نظر گرفتن آب و هوا، ساختار اساسی مواد آلی محلول ثابت باقی مانده است.

کلید این یافته‌ها استفاده غیر متعارف از NMR به روش‌هایی بود که اجازه می‌داد مطالعات درونی عمیق مولکول‌های آلی محلول بزرگ را انجام دهد – در نتیجه نقشه‌برداری و کمی کردن محیط شیمیایی اطراف اتم‌های کربن را تعیین کرد. سییو لی، دانشمند Helmholtz Zentrum و نویسنده اصلی این مطالعه توضیح می دهد.

در بیومولکول‌ها، اتم‌های کربن را می‌توان به چهار اتم دیگر، اغلب به هیدروژن یا اکسیژن متصل کرد. با این حال، در کمال تعجب تیم، بخش بسیار بالایی از اتم‌های کربن آلی به هیچ هیدروژنی متصل نبودند، بلکه عمدتاً به اتم‌های کربن دیگر متصل بودند. به خصوص جالب توجه تعداد زیاد اتم های کربن بود که به طور خاص به سه کربن دیگر و یک اتم اکسیژن متصل شده بودند، ساختاری که در زیست مولکول ها بسیار نادر است.

به گفته دیوید باستویکن، استاد تغییرات محیطی در دانشگاه لینشوپینگ، این ماده آلی را پایدار می کند و به آن اجازه می دهد برای مدت طولانی باقی بماند و از بازگشت سریع آن به جو به عنوان دی اکسید کربن یا متان جلوگیری می کند.

دیوید باستویکن می گوید: “این کشف به توضیح غرق های کربن آلی قابل توجهی در سیاره ما کمک می کند، که باعث کاهش میزان دی اکسید کربن در جو می شود.”