Как растения выживают в засуху: ученые обнаружили в почве наносети, удерживающие влагу

Исследовательская группа из Северо-Западного университета (США) выявила и подробно описала ранее неизвестный молекулярный процесс, благодаря которому почва способна сохранять воду. Согласно результатам исследования, опубликованным в научном журнале PNAS Nexus, в почве образуются наносети из специфических органических молекул, которые ведут себя подобно гидрогелю. Данное открытие объясняет механизмы сопротивления земли высыханию на наноуровне и предлагает новые методы для адаптации сельского хозяйства к меняющимся климатическим условиям.

В ходе нового исследования специалисты изучали физико-химическое взаимодействие органических соединений с минеральными частицами. Долгое время в научном сообществе считалось, что вода удерживается в грунте преимущественно за счет капиллярных сил и поверхностного натяжения. Однако анализ образцов с применением криоэлектронной микроскопии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса показал наличие дополнительного биологического фактора. Ученые зафиксировали процесс образования полимерных микросетей из специфических органических молекул, выделяемых почвенными бактериями и корневыми система растений, которые связываются с ионами металлов в глинистых породах.

В результате этого взаимодействия формируется многокомпонентная гидрогелевая структура толщиной в несколько нанометров. Она функционирует по принципу губки, запирая молекулы воды (H2O) внутри своих ячеек и замедляя их испарение при повышении температуры окружающей среды. Данные микроскопические сети обладают динамическими свойствами: при снижении уровня влажности они сжимаются, блокируя выход остатков жидкости наружу, а при поступлении новой воды — быстро расширяются, впитывая излишки.

Исследование проводилось в кампусе университета в Эванстоне (штат Иллинойс). Для подтверждения гипотезы ученые протестировали различные типы грунта, от песчаных до суглинистых, смоделировав условия длительной засухи в контролируемых климатических камерах. Выяснилось, что образцы почв с искусственно подавленным образованием таких молекулярных сетей теряли влагу на 40% быстрее, чем контрольный грунт с естественным микробиомным фоном.

Понимание этого процесса имеет практическое значение для агропромышленного комплекса. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, дефицит пресной воды становится одной из ключевых проблем глобальной продовольственной безопасности. Раскрытие молекулярных механизмов удержания влаги позволяет начать разработку специализированных биопрепаратов. Подобные органические добавки смогут стимулировать естественную выработку необходимых полимеров в почве, что в перспективе снизит зависимость фермерских хозяйств от систем искусственного орошения. На следующем этапе исследователи планируют изучить влияние различных видов сельскохозяйственных культур на формирование удерживающих воду структур в полевых условиях.

Источник: Scitechdaily