Et kemisk mysterium løst - reaktionen, der forklarer store kulstofdræn

Et mysterium, der har undret det videnskabelige samfund i mere end 50 år, er endelig blevet løst. Et hold fra Linköping Universitet, Sverige, og Helmholtz München har opdaget, at en bestemt type kemisk reaktion kan forklare, hvorfor organisk stof fundet i floder og søer er så modstandsdygtigt over for nedbrydning. Deres undersøgelse er blevet publiceret i tidsskriftet Nature .

"Dette har været den hellige gral inden for mit forskningsfelt i over 50 år," siger Norbert Hertkorn, videnskabsmand i analytisk kemi tidligere ved Helmholtz München og i øjeblikket ved Linköpings Universitet.

Lad os tage det fra begyndelsen. Når for eksempel et blad løsner sig fra et træ og falder til jorden, begynder det at bryde ned med det samme. Før bladet nedbrydes, består det af et par tusinde særskilte biomolekyler; molekyler, der kan findes i det meste levende stof.

Nedbrydningen af ​​bladet sker i flere faser. Insekter og mikroorganismer begynder at forbruge det, mens sollys og fugt påvirker bladet og forårsager yderligere nedbrydning. Til sidst skylles molekylerne fra det nedbrudte blad ind i floder, søer og oceaner.

Men på dette tidspunkt er de tusindvis af kendte biomolekyler blevet omdannet til millioner af meget forskelligt udseende molekyler med komplekse og typisk ukendte strukturer. Denne dramatiske kemiske transformationsproces er forblevet et mysterium, der har forvirret forskere i over et halvt århundrede, indtil nu.

"Nu kan vi belyse, hvordan et par tusinde molekyler i levende stof kan give anledning til millioner af forskellige molekyler, der hurtigt bliver meget modstandsdygtige over for yderligere nedbrydning," siger Hertkorn.

Holdet opdagede, at en specifik type reaktion, kendt som oxidativ dearomatisering, ligger bag mysteriet. Selvom denne reaktion længe er blevet undersøgt og anvendt i vid udstrækning i farmaceutisk syntese, forblev dens naturlige forekomst uudforsket.

I undersøgelsen viste forskerne, at oxidativ dearomatisering ændrer den tredimensionelle struktur af nogle biomolekylekomponenter, som igen kan aktivere en kaskade af efterfølgende og differentierede reaktioner, hvilket resulterer i millioner af forskellige molekyler.

Forskere troede tidligere, at vejen til opløst organisk stof involverede en langsom proces med mange sekventielle reaktioner. Den aktuelle undersøgelse tyder dog på, at transformationen sker relativt hurtigt.

Holdet undersøgte opløst organisk stof fra fire bifloder til Amazonfloden og to søer i Sverige. De brugte en teknik kaldet nuklear magnetisk resonans (NMR) til at analysere strukturen af ​​millioner af forskellige molekyler. Bemærkelsesværdigt, uanset klimaet, forblev den grundlæggende struktur af det opløste organiske stof konsistent.

"Nøglen til resultaterne var den utraditionelle brug af NMR på måder, der tillader studier af det dybe indre af store opløste organiske molekyler - og derved kortlægge og kvantificere de kemiske omgivelser omkring kulstofatomerne," forklarer Siyu Li, videnskabsmand ved Helmholtz Zentrum og hovedforfatter. af undersøgelsen.

I biomolekyler kan kulstofatomer forbindes med fire andre atomer, oftest til brint eller oxygen. Men til holdets overraskelse var en meget høj andel af de organiske kulstofatomer ikke forbundet med brint, men i stedet primært til andre kulstofatomer. Særligt spændende var det store antal carbonatomer bundet specifikt til tre andre carbonatomer og et oxygenatom, en struktur, der er meget sjælden i biomolekyler.

Ifølge David Bastviken, professor i miljøforandring ved Linköpings Universitet, gør dette det organiske stof stabilt, hvilket gør det muligt for det at blive ved i lang tid og forhindrer det i hurtigt at vende tilbage til atmosfæren som kuldioxid eller metan.

"Denne opdagelse hjælper med at forklare de betydelige organiske kulstofdræn på vores planet, som reducerer mængden af ​​kuldioxid i atmosfæren," siger Bastviken.

Flere oplysninger: Dearomatisering driver kompleksitetsgenerering i ferskvandsorganiske stoffer, Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07210-9

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Linköping University