Фермеры и садоводы давно заметили: добавление в почву органических веществ заметно улучшает её способность сохранять влагу. Теперь учёные из Северо-Западного университета выяснили, как это происходит на молекулярном уровне. Оказалось, что углеводы, содержащиеся в растениях и микроорганизмах, работают как своеобразный клей, связывая органику и почвенные минералы с помощью воды. Эти микроскопические мостики удерживают влагу даже в условиях экстремальной засухи, что может быть важно не только для сельского хозяйства, но и для понимания процессов на других планетах.
Фото из открытых источников / © GigaChat
В ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале PNAS Nexus, учёные объединили глинистый минерал смектит с тремя углеводами: глюкозой, амилозой и амилопектином. Глюкоза — простой сахар, а амилоза и амилопектин — сложные полимеры на основе крахмала.
«Мы выбрали углеводы, потому что они распространены повсеместно, — поясняет доцент Людмила Аристильда из Северо-Западного университета. — Целлюлоза, самый распространённый биополимер на Земле, состоит из глюкозы, а растения и микробы выделяют в почву различные углеводы — от простых до сложных».
Используя молекулярное моделирование и лабораторные эксперименты, исследователи обнаружили, что ключевую роль в удержании воды играют водородные связи. Молекулы воды одновременно связываются с поверхностью глины и углеводами, образуя устойчивые водные мостики. Это снижает скорость испарения и позволяет почве дольше оставаться влажной даже в засушливых условиях.
«Когда молекула воды удерживается за счёт водородной связи с углеводом и минералом, она застревает между ними и обладает высокой энергией связи», — отмечает Аристильда.
Эксперименты показали, что в присутствии сложных углеводных полимеров глина удерживает воду в пять раз прочнее, чем без них. Кроме того, структура углеводов препятствует схлопыванию наноразмерных пор глины при высыхании, что дополнительно способствует сохранению влаги.
Полученные результаты могут быть полезны не только для земного сельского хозяйства, но и для изучения других планет.
«Мы хотели понять, как почва на Земле удерживает влагу, но обнаруженные механизмы могут помочь и в исследовании внеземных сред», — говорит Аристильда.
Это открытие может пролить свет на то, как вода сохранялась в горных породах на Марсе и в метеоритах миллиарды лет.
