Учёные раскрыли механизм удержания воды в почве даже в засушливых условиях

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

От опытных фермеров до дачников — все знают, что добавление органики в почву повышает её способность удерживать влагу. Теперь учёные из Северо-Западного университета впервые раскрыли молекулярные механизмы, благодаря которым органические вещества помогают почве сохранять воду даже в условиях, напоминающих пустыню. Исследование опубликовано в журнале PNAS Nexus.

Команда обнаружила, что углеводы — ключевые компоненты растений и микроорганизмов — действуют как молекулярный клей, используя воду для образования «липких мостиков» между органическими молекулами и минералами почвы. Эти мостики удерживают влагу, которая в противном случае могла бы испариться. Открытие проливает свет на то, как почвы остаются влажными во время засухи, и даже на то, как вода могла сохраняться миллиарды лет в горных породах на других планетах, включая Марс и метеориты.

«Правильное соотношение минералов и органики в почве приводит к её здоровью и хорошей влагоудерживающей способности, — говорит Людмила Аристильд, руководившая исследованием. — Это то, что все наблюдали, но до сих пор не понимали физику и химию процесса. Теперь мы можем потенциально проектировать почву с нужными свойствами, превращая её в долговечную губку, сохраняющую влагу».

Мостики, удерживающие воду

Для исследования команда смешала распространённый глинистый минерал (смектит) с тремя типами углеводов: глюкозой, амилозой и амилопектином. Глюкоза — это простой сахар, а амилоза и амилопектин — сложные полимеры крахмала. Амилоза представляет собой длинную линейную цепь глюкозы, а амилопектин имеет разветвлённую структуру.

Используя молекулярное моделирование, квантовую механику и лабораторные эксперименты, учёные выяснили, что водородные связи играют ключевую роль в удержании воды между глинистыми минералами и углеводами. Эти связи создают «мостики» воды, которые прочно фиксируют влагу, снижая её испарение.

Сложные сахара усиливают удержание воды

Оказалось, что вода, связанная одновременно с глиной и углеводами, удерживается в пять раз прочнее, чем в случае с одной только глиной. Даже в экстремально сухих условиях такая вода остаётся в нанопорах глины и меньше подвержена испарению.

«Мы повышали температуру, чтобы измерить потерю воды, — объясняет Аристильд. — В присутствии углеводов требовалась более высокая температура для испарения воды по сравнению с чистой глиной. Это означает, что влага удерживалась сильнее».

Кроме того, сложные углеводы предотвращают полное схлопывание пор глины при высыхании, что помогает сохранять влагу в течение длительного времени, в том числе во время засух.

Это открытие не только углубляет понимание земных почв, но и может пролить свет на процессы на других планетах, где когда-то могла существовать жизнь.

Дополнительная информация: Sabrina E Kelch et al, Mechanisms of water retention at carbohydrate-clay interfaces, PNAS Nexus (2025). DOI: 10.1093/pnasnexus/pgaf259.