• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
20.06.2023
ФизТех
1
1 401

Пигмент, отвечающий за загар, оказался способен к магнетизму

5.1

Физики из МФТИ с коллегами из ОИЯИ (Дубна) и Университета Суонси (Уэльс, Великобритания) впервые пронаблюдали эффект совместного связывания (pancake bonding) в биологическом материале — пигменте эумеланине.

Пигмент, отвечающий за загар, оказался способен к магнетизму
Пигмент, отвечающий за загар, оказался способен к магнетизму / ©Getty images / Автор: Сергей Данилов

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. Со школьной скамьи нам известно, что в природе существует три основных типа биологических полимеров: нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Многие наверняка ожидали бы в этом списке увидеть липиды, но в классическом смысле полимерами жиры не являются, хотя они, как и перечисленные три типа полимеров, образуют сложные надмолекулярные (или, как любят говорить химики, супрамолекулярные) структуры: мембраны, мицеллы, везикулы и так далее.

Возможно, это прозвучит неожиданно, но существует еще один класс биологических полимеров, распространенный среди всех царств живых систем, — это меланины. Они представлены во всех типах организмов, за исключением вирусов. Меланин — пигмент, который придает коже, волосам и глазам человека цвет. Больше всего у нас эумеланинов и феомеланинов. Первые отвечают за коричневые и черные оттенки, а вторые — за красные и желтые. Это высокомолекулярные соединения, в которых основными звеньями цепи являются хиноны и гидрохиноны либо их таутомеры. Причем эти звенья соединены пи-сопряженными связями, которые знакомы большинству по гексагональной молекуле бензола. (На рисунке структура молекулы эумеланина).

В результате возникает ряд важных следствий, определяющих свойства меланинов и повышенный интерес к этим материалам со стороны физиков и материаловедов. Первое: меланины — полисопряженные полимеры. Это роднит их с так называемыми органическими металлами и полупроводниками, то есть неметаллическими материалами, которые, однако, при определенных условиях способны демонстрировать электрическую проводимость на уровне металлов.

Второе — меланины являются отличными матрицами для стабилизации неспаренных электронов (радикалов). В физиологических условиях концентрация радикалов в меланинах может достигать колоссальных значений, невозможных ни для каких других биологических материалов, — порядка 10 (в степени 18) –10 (в степени 19) штук на грамм вещества. Это, с одной стороны, роднит их с искусственными органическими магнитными материалами, а с другой — делает важными естественными антиоксидантами.

И, наконец, треть: в ультрафиолетовом и видимом диапазоне длин волн меланины обладают сплошным, лишенным особенностей спектром поглощения. Это окрашивает их в привычный черно-коричневый цвет загара, позволяет эффективно поглощать опасные коротковолновые фотоны, способные необратимо повреждать сложные биологические молекулы, и конвертировать их в относительно безопасное тепловое излучение. На этом основана одна из главных физиологических функций эумеланина — защита организма от повреждающего действия солнечных лучей.

Такой набор свойств заинтересовал физиков довольно давно, задолго до начала бума органических полупроводников. На меланине было изготовлено первое искусственное устройство органической электроники — бистабильный переключатель МакГиннесса 1973 года, который ныне демонстрируется в Смитсоновском институте.

Несмотря на столь многолетнюю историю исследований, задач в меланиновой физике, химии и физиологии осталось много. По сравнению с классическими объектами физики твердого тела, меланин сложен. Базовая причина этой сложности — существенно аморфная структура данного материала, невозможность кристаллизации, сочетающаяся с нестабильностью состава мономеров.

©Пресс-служба МФТИ

Это делает результаты классических структурных исследований с помощью рентгеновской дифракции малоинформативными, а моделирование свойств меланина методами квантовой химии — весьма трудной и в известной мере неблагодарной задачей. Поэтому подвижки в понимании связи структуры и свойств этих материалов происходят довольно редко и оказываются на вес золота. Несмотря на все трудности работы, знания об этом веществе крайне востребованы в медицине, «зеленом» материаловедении, биоэлектронике и электроцевтике.

В последние 10 лет на меланине проведен широкий спектр исследований транспортных и релаксационных свойств, говорящих о том, что вода изменяет химический состав материала, увеличивая концентрацию мономеров, содержащих неспаренные электроны. В лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ исследовали влияние концентрации воды на структуру различных меланинов с помощью рентгеновского рассеяния.

В известных кристаллических органических системах аналогичный рост концентрации свободных радикалов приводит к принципиальным изменениям свойств материалов, включающим возникновение магнитного упорядочения и повышение электронной / дырочной проводимости. Ключевое взаимодействие, которое приводит к таким изменениям, в англоязычной литературе называется pancake bonding. На структурном уровне оно выражается в значительном уменьшении расстояния между слоями отдельных молекул в кристаллах. Возникает сильная делокализация электронной и спиновой плотности. Ученые МФТИ увидели, что аналогичный процесс в меланине, вызванный ростом концентрации радикалов под действием воды, приводит к уменьшению расстояния между слоями мономеров до значений менее 3,2 ангстрем.

Константин Мотовилов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, рассказывает: «Наша группа оказалась первой, кто попробовал исследовать влияние концентрации воды на структуру различных меланинов с помощью рентгеновского рассеяния. Мы увидели процесс уменьшения расстояния между слоями мономеров до значений менее 3.2 ангстрем. Он был вызван ростом концентрации радикалов под действием воды. Для ряда синтетических органических кристаллов это приводило, например, к возникновению антиферромагнитного упорядочения».

В планах группы в ближайший год — проверить с помощью измерений магнитных свойств увлажненного меланина данную возможность. Если предсказанный эффект подтвердится, можно будет говорить о том, что живые системы способны синтезировать макроскопические органические магнитоупорядоченные фазы. Вплоть до настоящего времени такое наблюдалось только в новейших искусственных материалах. Цикл работ по исследованию свойств меланинов уже более трех лет проходит в лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ при поддержке гранта Российского научного фонда.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
11 июня
Андрей

Китайские палеонтологи обнаружили образцы самых больших моллюсков, живших после Великого вымирания. Их гигантский размер говорит о том, что брюхоногие интенсивнее и быстрее восстановились в росте после массовой гибели. До этого подобные свидетельства находили в ладинском ярусе, а сейчас в анизийском.

Позавчера, 11:27
Александр Березин

Глава подразделения NASA по системам исследования Луны объяснила ранее неизвестное публике условие для высадки людей на спутнике Земли в сентябре 2026 года. Скептики оценили это заявление как стремление Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США переложить ответственность за срыв сроков лунной высадки на кого-то еще.

Сегодня, 08:19
Дарья Г.

В центре далекой галактики OJ 287 находятся две черные дыры, одна из которых в сотню раз больше другой. В 2021 году астрономы подтвердили существование пары по изменению яркости объекта. Теперь же ученым удалось доказать, что источником той необычной вспышки была именно малая черная дыра.

10 июня
Александр Березин

Исследователи из США выяснили, что примерно два миллиона лет назад Солнечная система захватила хвост облака холодного межзвездного газа. В результате гелиосфера сильно сжалась, дав галактическим лучам свободно облучать все планеты системы. Это должно было вызвать и серьезные проблемы с климатом.

11 июня
Андрей

Китайские палеонтологи обнаружили образцы самых больших моллюсков, живших после Великого вымирания. Их гигантский размер говорит о том, что брюхоногие интенсивнее и быстрее восстановились в росте после массовой гибели. До этого подобные свидетельства находили в ладинском ярусе, а сейчас в анизийском.

8 июня
Михаил Орлов

Переселение позвоночных из воды в наземно-воздушную среду жизни стало поворотным моментом в истории биосферы. Однако этот эволюционный скачок имел и серьезные побочные эффекты: он привел к потере способности восстанавливать потерянные части тела рептилиями, птицами и млекопитающими. В новой статье биологи рассмотрели генетические и эволюционные аспекты освоения суши и выяснили, что резкое ослабление регенерации стало своеобразной «расплатой» за адаптации животных к другой среде.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

Физики из ФФТИ первыми в мире попробовали нагреть воду в луже. Она - нагрелась! Срочно новость во все научные журналы!!
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: