Ein Rätsel, das die wissenschaftliche Gemeinschaft seit mehr als 50 Jahren beschäftigt, wurde endlich gelöst. Ein Team der Universität Linköping, Schweden, und Helmholtz München haben herausgefunden, dass eine bestimmte Art chemischer Reaktion erklären könnte, warum organisches Material in Flüssen und Seen so resistent gegen Abbau ist. Ihre Studie wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
In der Studie zeigten die Forscher, dass die oxidative Desaromatisierung die dreidimensionale Struktur bestimmter Bestandteile von Biomolekülen verändert, was wiederum eine Kaskade nachfolgender und differenzierter Reaktionen auslösen kann, was zu Millionen unterschiedlicher Moleküle führt. Bildnachweis: Pixabay (Kostenlose Pixabay-Lizenz)
„Seit über 50 Jahren ist es der Heilige Gral in meinem Forschungsgebiet“, sagt Norbert Hertkorn, Wissenschaftler der analytischen Chemie, zuvor am Helmholtz-Zentrum München und derzeit an der Universität Linköping.
Nehmen wir die Dinge von Anfang an. Wenn beispielsweise ein Blatt eines Baumes abbricht und zu Boden fällt, beginnt es sofort zu zersetzen. Bevor das Blatt zerfällt, besteht es aus einigen tausend verschiedenen Biomolekülen; Moleküle, die in den meisten lebenden Materialien vorkommen.
Der Zerfall des Blattes erfolgt in mehreren Phasen. Insekten und Mikroorganismen beginnen, es zu fressen, während Sonnenlicht und Feuchtigkeit auf das Blatt einwirken und zu einem weiteren Abbau führen. Schließlich werden Moleküle aus dem zersetzten Blatt in Flüsse, Seen und Ozeane gespült.
Oxidative Entaromatisierung
Zu diesem Zeitpunkt haben sich jedoch die Tausenden bekannten Biomoleküle in Millionen von Molekülen mit sehr unterschiedlichem Aussehen und komplexen und im Allgemeinen unbekannten Strukturen verwandelt. Dieser spektakuläre chemische Umwandlungsprozess ist bis heute ein Rätsel geblieben, das die Forscher mehr als ein halbes Jahrhundert lang verwirrt.
„Wir können jetzt verstehen, wie aus ein paar tausend Molekülen in lebender Materie Millionen verschiedener Moleküle entstehen können, die schnell sehr resistent gegen weiteren Abbau werden“, erklärt Norbert Hertkorn.
Das Team entdeckte, dass hinter dem Rätsel eine bestimmte Art von Reaktion steckt, die als oxidative Desaromatisierung bekannt ist. Obwohl diese Reaktion seit langem untersucht und in großem Umfang in der pharmazeutischen Synthese eingesetzt wird, ist ihr natürliches Vorkommen noch unerforscht.
In der Studie zeigten die Forscher, dass die oxidative Desaromatisierung die dreidimensionale Struktur bestimmter Bestandteile von Biomolekülen verändert, was wiederum eine Kaskade nachfolgender und differenzierter Reaktionen auslösen kann, was zu Millionen unterschiedlicher Moleküle führt.
Kernspinresonanz
Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass der Weg zu gelöster organischer Substanz ein langsamer Prozess mit vielen aufeinanderfolgenden Reaktionen sei. Die vorliegende Studie legt jedoch nahe, dass die Transformation relativ schnell erfolgt.
Das Team untersuchte gelöste organische Stoffe aus vier Nebenflüssen des Amazonas und zwei schwedischen Seen. Sie verwendeten eine Technik namens Kernspinresonanz (NMR), um die Struktur von Millionen unterschiedlicher Moleküle zu analysieren. Bemerkenswerterweise blieb die Grundstruktur der gelösten organischen Substanz unabhängig vom Klima konsistent.
„Der Schlüssel zu den Ergebnissen war der unkonventionelle Einsatz von NMR, der Untersuchungen des tiefen Inneren großer gelöster organischer Moleküle ermöglichte und so die chemische Umgebung um Kohlenstoffatome kartierte und quantifizierte. » erklärt Siyu Li, Wissenschaftler am Helmholtz München und Erstautor der Studie.
Selten in Biomolekülen
In Biomolekülen können Kohlenstoffatome mit vier anderen Atomen verbunden sein, am häufigsten mit Wasserstoff oder Sauerstoff. Zur Überraschung des Teams war jedoch ein sehr großer Teil der organischen Kohlenstoffatome nicht an Wasserstoff, sondern hauptsächlich an andere Kohlenstoffatome gebunden. Besonders faszinierend war die große Anzahl von Kohlenstoffatomen, die spezifisch an drei andere Kohlenstoffe und ein Sauerstoffatom gebunden waren, eine sehr seltene Struktur in Biomolekülen.
Laut David Bastviken, Professor für Umweltveränderungen an der Universität Linköping, wird organisches Material dadurch stabil, sodass es lange bestehen bleibt und verhindert wird, dass es schnell als Kohlendioxid oder Methan in die Atmosphäre zurückkehrt.
„Diese Entdeckung hilft, die bedeutenden organischen Kohlenstoffsenken unseres Planeten zu erklären, die die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre reduzieren“, erklärt David Bastviken.
Die Studie wurde maßgeblich von der Alexander von Humboldt-Stiftung, dem Schwedischen Forschungsrat, Formas und dem Europäischen Forschungsrat gefördert.
Artikel: Dearomatisierung treibt die Entstehung von Komplexität in organischer Süßwassersubstanz voranSiyu Li, Mourad Harir, David Bastviken, Philippe Schmitt-Kopplin, Michael Gonsior, Alex Enrich-Prast, Juliana Valle, Norbert Hertkorn; Nature 2024 online veröffentlicht am 25. April 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07210-9
Geschrieben von Anders Törneholm
Quelle: Universität Linköping
Ursprünglich veröffentlicht in The European Times.
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