اكتشف العلماء أن جزيئات الماء تحدد المواد من حولنا

اكتشف العلماء أن جزيئات الماء تحدد المواد من حولنا

تمت مراجعة هذه المقالة وفقًا لـ Science X’s عملية التحرير
و سياسات.
المحررين سلط الضوء على السمات التالية مع ضمان مصداقية المحتوى:

التحقق من الحقائق

منشور راجعه النظراء

مصدر موثوق

التدقيق اللغوي

جزيرة الروح ، حديقة جاسبر الوطنية ، كندا. قال البروفيسور أوزغور شاهين: “عندما نتجول في الغابة ، نفكر في الأشجار والنباتات من حولنا على أنها مواد صلبة نموذجية. ويظهر هذا البحث أننا يجب أن نفكر حقًا في تلك الأشجار والنباتات على أنها أبراج تحتوي على السكريات والمياه البروتينات في مكانها “. Credit: Terry Ott

لعقود من الزمان ، حافظت مجالات الفيزياء والكيمياء على أن الذرات والجزيئات التي يتكون منها العالم الطبيعي تحدد طبيعة المادة الصلبة. تحصل بلورات الملح على جودتها البلورية من الرابطة الأيونية بين أيونات الصوديوم والكلوريد ، وتحصل المعادن مثل الحديد أو النحاس على قوتها من الروابط المعدنية بين ذرات الحديد أو النحاس ، ويحصل المطاط على قابلية التمدد من الروابط المرنة داخل البوليمرات التي تشكل المطاط. ينطبق نفس المبدأ على مواد مثل الفطريات والبكتيريا والخشب.

أو هكذا تقول القصة.

تم نشر ورقة جديدة في طبيعة يقلب هذا النموذج ، ويجادل بأن طبيعة العديد من المواد البيولوجية يتم إنشاؤها بالفعل بواسطة الماء الذي يتخلل هذه المواد. ينتج الماء مادة صلبة ويستمر في تحديد خصائص تلك المادة الصلبة ، مع الحفاظ على خصائصها السائلة. في ورقتهم البحثية ، قام المؤلفون بتجميع هذه المواد وغيرها في فئة جديدة من المادة يسمونها “المواد الصلبة المميعة” ، والتي يقولون “تكتسب صلابة بنيتها ، السمة المميزة للحالة الصلبة ، من السائل الذي يتخلل مسامها.” يمكن أن يساعد الفهم الجديد للمادة البيولوجية في الإجابة عن الأسئلة التي ألحقت بالعلماء لسنوات.

قال أوزغور شاهين ، أستاذ العلوم البيولوجية والفيزياء وأحد مؤلفي الورقة البحثية: “أعتقد أن هذه لحظة خاصة حقًا في العلم”. “إنها توحد شيئًا متنوعًا ومعقدًا بشكل لا يصدق مع شرح بسيط. إنها مفاجأة كبيرة ، متعة فكرية.”

استخدم ستيفن جي هارلسون ، الذي أكمل مؤخرًا دراسات الدكتوراه في قسم الفيزياء بكولومبيا ، وهو مؤلف في الدراسة ، استعارة مبنى لوصف اكتشاف الفريق: “إذا فكرت في مواد بيولوجية مثل ناطحة سحاب ، فإن اللبنات الجزيئية هي الإطارات الفولاذية التي تثبتها ، والماء بين كتل البناء الجزيئية هو الهواء داخل الإطارات الفولاذية. اكتشفنا أن بعض ناطحات السحاب غير مدعومة بإطاراتها الفولاذية ، ولكن بالهواء داخل تلك الإطارات “.

وأضاف شاهين: “قد يبدو من الصعب تصديق هذه الفكرة ، لكنها تحل الألغاز وتساعد في التنبؤ بوجود ظواهر مثيرة في المواد”.

عندما يكون الماء في شكله السائل ، فإن جزيئاته تحقق توازنًا دقيقًا بين النظام والاضطراب. ولكن عندما تتحد الجزيئات التي تشكل المواد البيولوجية مع الماء ، فإنها تقلب التوازن نحو النظام: يريد الماء العودة إلى حالته الأصلية. نتيجة لذلك ، تدفع جزيئات الماء جزيئات المادة البيولوجية بعيدًا. تم تحديد قوة الدفع هذه ، التي تسمى قوة الإماهة ، في السبعينيات ، ولكن كان يُعتقد أن تأثيرها على المادة البيولوجية كان محدودًا. حجة هذه الورقة الجديدة بأن قوة الماء هي ما يحدد طبيعة المادة البيولوجية بالكامل تقريبًا ، بما في ذلك مدى ليونة أو صلابة ، وبالتالي تأتي كمفاجأة.

لقد عرفنا منذ فترة طويلة أن المواد البيولوجية تمتص الرطوبة المحيطة. فكر ، على سبيل المثال ، في باب خشبي يتمدد خلال موجة رطبة. ومع ذلك ، يُظهر هذا البحث أن المياه المحيطة هي أكثر أهمية من سمات الخشب والفطريات والنباتات والمواد الطبيعية الأخرى أكثر مما كنا نعرفه من قبل.

وجد الفريق أن جلب الماء إلى المقدمة والوسط أتاح لهم وصف الخصائص التي تعرضها المواد العضوية المألوفة بحساب بسيط للغاية. تطلبت النماذج السابقة لكيفية تفاعل الماء مع المادة العضوية عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة للتنبؤ بخصائص المادة. إن بساطة الصيغ التي وجدها الفريق يمكنها التنبؤ بهذه الخصائص تشير إلى أنها موجودة في شيء ما.

لأخذ مثال واحد ، وجد الفريق أن المعادلة البسيطة E = Al / تصف بدقة كيف تتغير مرونة المادة بناءً على عوامل تشمل الرطوبة ودرجة الحرارة وحجم الجزيء. (يشير E في هذه المعادلة إلى مرونة المادة ؛ A هو عامل يعتمد على درجة حرارة ورطوبة البيئة ؛ l هو الحجم التقريبي للجزيئات البيولوجية و هي المسافة التي تفقد فيها قوى الترطيب قوتها).

قال هارلسون: “كلما عملنا في هذا المشروع ، أصبحت الإجابات أبسط” ، مضيفًا أن التجربة “نادرة جدًا في العلوم”.

ظهرت النتائج الجديدة من بحث البروفيسور شاهين المستمر في السلوك الغريب للجراثيم والخلايا البكتيرية النائمة. لسنوات ، درس شاهين وطلابه الجراثيم لفهم سبب تمددها بقوة عند إضافة الماء إليها وتقلصها عند إزالة الماء. قبل عدة سنوات ، حصل شاهين وزملاؤه على تغطية إعلامية لتسخير هذه القدرة لإنشاء بدائل صغيرة تشبه المحرك تعمل بواسطة الأبواغ.

في حوالي عام 2012 ، قرر شاهين التراجع ليسأل لماذا تتصرف الأبواغ بالطريقة التي تتصرف بها. وانضم إليه الباحثان Michael S. DeLay و Xi Chen ، المؤلفان في الورقة الجديدة ، اللذان كانا آنذاك أعضاء في مختبره. لم تقدم تجاربهم حلاً للسلوك الغامض للجراثيم. يتذكر شاهين “انتهى بنا الأمر بمزيد من الألغاز أكثر مما كنا عليه عندما بدأنا”. لقد كانوا عالقين ، لكن الألغاز التي واجهوها كانت تلمح إلى أن هناك شيئًا يستحق المتابعة.

بعد سنوات من التأمل في التفسيرات المحتملة ، خطر ببال شاهين أن الألغاز التي يواجهها الفريق باستمرار يمكن تفسيرها إذا كانت قوة الترطيب تتحكم في طريقة انتقال الماء في الأبواغ.

“عندما عالجنا المشروع في البداية ، بدا الأمر معقدًا بشكل مستحيل. كنا نحاول شرح عدة تأثيرات مختلفة ، لكل منها صيغته غير المرضية. بمجرد أن بدأنا في استخدام قوى الترطيب ، يمكن تجريد كل واحدة من الصيغ القديمة بعيدًا. عندما يكون الماء فقط لقد تركت القوات ، شعرت وكأن أقدامنا اصطدمت بالأرض أخيرًا. كان أمرًا مذهلاً ، ومريحًا للغاية ؛ كانت الأمور منطقية “، قال.

تنطبق نتائج الورقة على كميات هائلة من العالم من حولنا: المواد البيولوجية المسترطبة – أي المواد البيولوجية التي تسمح للماء بالدخول والخروج – يحتمل أن تشكل في أي مكان من 50٪ إلى 90٪ من العالم الحي من حولنا ، بما في ذلك جميع من خشب العالم ، ولكن أيضًا مواد أخرى مألوفة مثل الخيزران ، والقطن ، ومخاريط الصنوبر ، والصوف ، والشعر ، والأظافر ، وحبوب اللقاح في النباتات ، والجلد الخارجي للحيوانات ، والجراثيم البكتيرية والفطرية التي تساعد هذه الكائنات على البقاء والتكاثر.

المصطلح المصوغ في الورقة ، “المواد الصلبة المائية” ، ينطبق على أي مادة طبيعية تستجيب للرطوبة المحيطة المحيطة بها. باستخدام المعادلات التي حددها الفريق ، يمكنهم وباحثون آخرون التنبؤ بالخصائص الميكانيكية للمواد من مبادئ الفيزياء الأساسية. حتى الآن كان هذا ينطبق بشكل أساسي على الغازات ، وذلك بفضل معادلة الغازات العامة المعروفة ، والتي عرفها العلماء منذ القرن التاسع عشر.

قال شاهين: “عندما نتجول في الغابة ، نفكر في الأشجار والنباتات من حولنا على أنها مواد صلبة نموذجية. يظهر هذا البحث أننا يجب أن نفكر حقًا في تلك الأشجار والنباتات كأبراج من الماء تحمل السكريات والبروتينات في مكانها” ، قال شاهين ، “إنه حقًا عالم الماء.”

معلومات اكثر:
أوزغور شاهين ، جوامد الترطيب ، طبيعة (2023). DOI: 10.1038 / s41586-023-06144-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06144-y

معلومات المجلة:
طبيعة


READ  ناسا تؤجل اختبار صاروخ Artemis 1 Moon حتى 12 أبريل

You May Also Like

About the Author: Fajar Fahima

"هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز."

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *