En kemisk gåta löst – reaktionen som förklarar stora kolsänkor

En gåta som gäckat forskarvärlden i över 50 år har nu fått sitt svar. Forskare från bland annat Linköpings universitet och Helmholtz Zentrum München har visat att en särskild typ av kemisk reaktion kan förklara varför organiskt material i sjöar och vattendrag är så motståndskraftigt mot nedbrytning. Studien är publicerad i tidskriften Nature.

– I en tid då kolcykeln driver global förändring har vi hittat en förklaring till varför så mycket kol kan lagras på planeten borta från atmosfären under lång tid, säger Alex Enrich Prast, professor vid Tema Miljöförändring, Linköpings universitet.

Men vi tar det från början. När ett löv lossnar från ett träd och faller ner till marken börjar det att brytas ner direkt. Innan lövet bryts ner består det av några tusen välkända molekyler, ungefär samma molekyler som finns i all levande materia.

Nedbrytningen av lövet genomgår flera faser. Insekter och mikroorganismer börjar äta av det, solens strålar och luftens fuktighet påverkar lövet och det bryts ner allt mer. Till slut sköljs molekylerna av det nedbrutna lövet ut i floder vidare till sjöar eller ut i havet.

Men vid det här laget har de tusentalet kända molekylerna förvandlats till miljontals olika molekyler med komplexa och okända strukturer. Då har lövet förvandlats till något som kallas löst organiskt material. Fram till nu har den här kemiska förvandlingsprocessen varit en gåta som gäckat forskare i över ett halvt sekel.

– Det har varit den heliga graalen inom mitt forskningsfält i över 50 år. Nu kan vi förklara hur ett tusental molekyler i levande materia kan ge upphov till miljontals olika molekyler som snabbt blir mycket motståndskraftiga mot vidare nedbrytning, säger Norbert Hertkorn forskare vid Tema Miljöförändring och tidigare vid Helmholtz Zentrum München.

Det forskarna upptäckt är att en typ av reaktion som kallas oxidativ dearomatisering ligger bakom mysteriet. Det är en välstuderad reaktion som används flitigt inom läkemedelsframställning men har hittills varit outforskad i naturen.

I studien visade forskarna att oxidativ dearomatisering förändrar de tredimensionella strukturerna hos vissa delar i biomolekyler, vilket i sin tur kan aktivera en kaskad av olika efterföljande reaktioner, vilket resulterar i miljontals olika molekyler.

Tidigare har forskare trott att vägen till löst organiskt material har en långsam process med många reaktioner som följer efter varandra. Men studien indikerar att förvandlingen i stället sker relativt snabbt.

Forskarna undersökte löst organiskt material i fyra biflöden till Amazonfloden och två medelstora sjöar i Sverige. De använde en mätmetod som kallas kärnmagnetisk resonans som analyserar strukturen hos miljontals olika molekyler. Anmärkningsvärt nog var att molekylernas grundläggande strukturer var lika oavsett klimat. Det är första gången kärnmagnetisk resonans används på det här sättet och ger en unik inblick i sammansättningen av löst organiskt material.

I biomolekyler kan kolatomer vara kopplade till fyra andra atomer, oftast till väte eller syre. Men forskarna överraskades av att en mycket hög andel av de organiska kolatomerna inte var kopplade till något väte utan i stället främst till andra kolatomer. Särskilt intressant var det stora antalet kolatomer som specifikt var bundna till tre andra kol och en syreatom, en struktur som är mycket ovanlig i biomolekyler och som pekar på betydelsen av den oxidativa dearomatiseringen.

Enligt David Bastviken, professor vid Tema Miljöförändring vid Linköpings universitet, är dessa överraskande vanliga strukturer mycket svåra att bryta ner för mikroorganismer. Det i sin tur förhindrar kolet att återgå till atmosfären i form av koldioxid eller metangas.

– Om vi förstår den här processen kan vi också få en djupare förståelse för hur världens stora kolsänkor faktiskt fungerar och vilken roll de har i kolcykeln, och i förlängningen hur de påverkar klimatet, säger David Bastviken.

Studien finansierades i huvudsak av Alexander von Humbolt stiftelsen, Vetenskapsrådet, Formas och det Europeiska forskningsrådet (ERC).

Artikeln: Dearomatization drives complexity generation in freshwater organic matter, Siyu Li, Mourad Harir, David Bastviken, Philippe Schmitt-Kopplin, Michael Gonsior, Alex Enrich-Prast, Juliana Valle, Norbert Hertkorn; Nature 2024, publicerad online 24 april 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07210-9