Για δεκαετίες, οι τομείς της φυσικής και της χημείας υποστήριζαν ότι τα άτομα και τα μόρια που συνθέτουν τον φυσικό κόσμο καθορίζουν τον χαρακτήρα της στερεάς ύλης. Οι κρύσταλλοι αλατιού αποκτούν την κρυσταλλική τους ποιότητα από τον ιοντικό δεσμό μεταξύ ιόντων νατρίου και χλωρίου, τα μέταλλα όπως ο σίδηρος ή ο χαλκός αποκτούν την αντοχή τους από τους μεταλλικούς δεσμούς μεταξύ ατόμων σιδήρου ή χαλκού και τα ελαστικά αποκτούν την ελαστικότητά τους από τους εύκαμπτους δεσμούς εντός των πολυμερών που αποτελούν το ελαστικό. Η ίδια αρχή ισχύει και για υλικά όπως οι μύκητες, τα βακτήρια και το ξύλο.
Μια νέα εργασία που δημοσιεύθηκε στο Nature ανατρέπει αυτή τη θεώρηση και υποστηρίζει ότι η δομή πολλών βιολογικών υλικών στην πραγματικότητα δημιουργείται από το νερό που διαπερνά αυτά τα υλικά. Το νερό καθορίζει τις ιδιότητες αυτού του στερεού, διατηρώντας παράλληλα τα χαρακτηριστικά του υγρού. Στην εργασία τους, οι συγγραφείς ομαδοποιούν αυτά και άλλα υλικά σε μια νέα κατηγορία ύλης που ονομάζουν “στερεά ενυδάτωσης”, τα οποία, όπως λένε, “αποκτούν τη δομική τους ακαμψία, το καθοριστικό χαρακτηριστικό της στερεάς κατάστασης, από το υγρό που διαπερνά τους πόρους τους”. Η νέα κατανόηση της βιολογικής ύλης μπορεί να βοηθήσει να απαντηθούν ερωτήματα που απασχολούν τους επιστήμονες εδώ και χρόνια.
“Νομίζω ότι πρόκειται για μια πραγματικά ξεχωριστή στιγμή στην επιστήμη”, δήλωσε ο Ozgur Sahin, καθηγητής Βιολογικών Επιστημών και Φυσικής και ένας από τους συγγραφείς της δημοσίευσης. “Ενώνει κάτι απίστευτα διαφορετικό και πολύπλοκο με μια απλή εξήγηση. Είναι μια μεγάλη έκπληξη, μια διανοητική απόλαυση”.
Ο Steven G. Harrellson, ο οποίος ολοκλήρωσε πρόσφατα τις διδακτορικές του σπουδές στο τμήμα φυσικής του Κολούμπια και είναι συγγραφέας της μελέτης, χρησιμοποίησε τη μεταφορά ενός κτιρίου για να περιγράψει το εύρημα της ομάδας: “Αν σκεφτείτε τα βιολογικά υλικά σαν έναν ουρανοξύστη, τα μοριακά δομικά στοιχεία είναι τα χαλύβδινα πλαίσια που τα συγκρατούν, και το νερό ανάμεσα στα μοριακά δομικά στοιχεία είναι ο αέρας μέσα στα χαλύβδινα πλαίσια. Ανακαλύψαμε ότι ορισμένοι ουρανοξύστες δεν υποστηρίζονται από τα χαλύβδινα πλαίσια τους, αλλά από τον αέρα μέσα στα πλαίσια αυτά”.
“Αυτή η ιδέα μπορεί να φαίνεται δύσκολο να πιστέψει κανείς, αλλά λύνει μυστήρια και βοηθά στην πρόβλεψη της ύπαρξης συναρπαστικών φαινομένων στα υλικά”, πρόσθεσε ο Sahin.
Όταν το νερό βρίσκεται στην υγρή του μορφή, τα μόριά του βρίσκονται σε μια λεπτή ισορροπία μεταξύ τάξης και αταξίας. Όταν όμως τα μόρια που σχηματίζουν τα βιολογικά υλικά συνδυάζονται με το νερό, γέρνουν την ισορροπία προς την κατεύθυνση της τάξης: Το νερό θέλει να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση. Ως αποτέλεσμα, τα μόρια του νερού απομακρύνουν τα μόρια της βιολογικής ύλης. Αυτή η δύναμη ώθησης, που ονομάζεται δύναμη ενυδάτωσης, εντοπίστηκε τη δεκαετία του 1970, αλλά η επίδρασή της στη βιολογική ύλη θεωρούνταν περιορισμένη. Το επιχείρημα της νέας αυτής εργασίας ότι η δύναμη ενυδάτωσης είναι αυτή που καθορίζει σχεδόν εξ ολοκλήρου τον χαρακτήρα της βιολογικής ύλης, συμπεριλαμβανομένου του πόσο μαλακή ή σκληρή είναι, αποτελεί επομένως έκπληξη.
Γνωρίζουμε από καιρό ότι τα βιολογικά υλικά απορροφούν την υγρασία του περιβάλλοντος. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, μια ξύλινη πόρτα, η οποία διαστέλλεται κατά τη διάρκεια μιας περιόδου υγρασίας. Αυτή η έρευνα, ωστόσο, δείχνει ότι το νερό του περιβάλλοντος έχει πολύ πιο κεντρική σημασία για τον χαρακτήρα του ξύλου, των μυκήτων, των φυτών και άλλων φυσικών υλικών από ό,τι γνωρίζαμε ποτέ.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι η ανάδειξη του νερού στο προσκήνιο τους επέτρεψε να περιγράψουν τα χαρακτηριστικά που εμφανίζουν τα γνωστά οργανικά υλικά με πολύ απλά μαθηματικά. Προηγούμενα μοντέλα για το πώς το νερό αλληλεπιδρά με την οργανική ύλη απαιτούσαν προηγμένες προσομοιώσεις σε υπολογιστές για να προβλέψουν τις ιδιότητες του υλικού. Η απλότητα των τύπων που βρήκε η ομάδα ότι μπορούν να προβλέψουν αυτές τις ιδιότητες υποδηλώνει ότι κάτι βρήκαν.
Για να πάρουμε ένα παράδειγμα, η ομάδα διαπίστωσε ότι η απλή εξίσωση E=Al/λ περιγράφει εύστοχα τον τρόπο με τον οποίο η ελαστικότητα ενός υλικού αλλάζει με βάση παράγοντες όπως η υγρασία, η θερμοκρασία και το μέγεθος των μορίων. (Το Ε σε αυτή την εξίσωση αναφέρεται στην ελαστικότητα ενός υλικού- το Α είναι ένας παράγοντας που εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την υγρασία του περιβάλλοντος- το λ είναι το κατά προσέγγιση μέγεθος των βιολογικών μορίων και το λ είναι η απόσταση κατά την οποία οι δυνάμεις ενυδάτωσης χάνουν την ισχύ τους).
“Όσο περισσότερο δουλεύαμε σε αυτό το έργο, τόσο απλούστερες γίνονταν οι απαντήσεις”, δήλωσε ο Harrellson, προσθέτοντας ότι η εμπειρία αυτή “είναι πολύ σπάνια στην επιστήμη”.
Τα νέα ευρήματα προέκυψαν από τη συνεχιζόμενη έρευνα του καθηγητή Sahin σχετικά με την παράξενη συμπεριφορά των σπορίων, των αδρανών βακτηριακών κυττάρων. Για χρόνια, ο Sahin και οι φοιτητές του μελετούσαν τα σπόρια για να καταλάβουν γιατί διαστέλλονται με δύναμη όταν τους προστίθεται νερό και συστέλλονται όταν αφαιρείται νερό. Πριν από αρκετά χρόνια, ο Sahin και οι συνάδελφοί του συγκέντρωσαν την κάλυψη των μέσων ενημέρωσης για την αξιοποίηση αυτής της ικανότητας για τη δημιουργία μικρών κατασκευών που μοιάζουν με μηχανές και τροφοδοτούνται από σπόρια.