انها المفارقة: الحياة تحتاج إلى الماء من أجل البقاء ، ولكن العالم المليء بالمياه لا يمكن أن يولد الجزيئات الحيوية التي كانت ضرورية للحياة المبكرة. أو هكذا اعتقد الباحثون.
الماء في كل مكان. معظم جسم الإنسان مصنوع منه ، الكثير من كوكب الأرض يغطيها ، ولا يمكن للبشر البقاء على قيد الحياة أكثر من يومين دون شربه. جزيئات الماء لها مميزات خاصة التي تسمح لها بإذابة ونقل المركبات عبر جسمك ، وتوفير بنية لخلاياك ، وتنظيم درجة حرارتك. في الواقع ، التفاعلات الكيميائية الأساسية التي تمكن الحياة كما نعرفها تتطلب الماء ، التركيب الضوئي كونها أحد الأمثلة.
ومع ذلك ، عندما بدأت الجزيئات الحيوية الأولى مثل البروتينات والحمض النووي في التجمع معًا في المراحل المبكرة من كوكب الأرض ، كان الماء في الواقع حاجزًا أمام الحياة.
السبب بسيط بشكل مدهش: إن وجود الماء يمنع المركبات الكيميائية من فقدان الماء. خذ على سبيل المثال البروتينات ، وهي إحدى الفئات الرئيسية للجزيئات البيولوجية التي يتكون منها جسمك. البروتينات ، في جوهرها ، سلاسل من الأحماض الأمينية مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط كيميائية. تتشكل هذه الروابط من خلال أ رد فعل التكثيف يؤدي إلى فقدان جزيء من الماء. بشكل أساسي ، يجب أن تصبح الأحماض الأمينية "جافة" من أجل تكوين بروتين.
معتبرا أن الأرض كانت قبل الحياة مغطى بالماء، كان هذا مشكلة كبيرة لصنع البروتينات الضرورية للحياة. مثل محاولة التجفيف داخل حمام السباحة ، كان من الصعب على اثنين من الأحماض الأمينية فقدان الماء للالتقاء معًا في الحساء البدائي في وقت مبكر من الأرض. ولم تكن البروتينات وحدها هي التي واجهت هذه المشكلة في وجود الماء: فالجزيئات الحيوية الأخرى الضرورية للحياة ، بما في ذلك الحمض النووي والسكريات المعقدة ، تعتمد أيضًا على تفاعلات التكثيف وفقدان الماء لتكوينه.
على مر السنين ، اقترح الباحثون العديد من الحلول لهذه "مفارقة المياه". يعتمد معظمهم على سيناريوهات محددة جدًا على الأرض في وقت مبكر كان من الممكن أن تسمح بإزالة المياه. وتشمل هذه تجفيف البرك, الأسطح المعدنية, الينابيع الساخنة و الفتحات الحرارية المائية، من بين أمور أخرى. هذه الحلول ، رغم أنها معقولة ، تتطلب ظروفًا جيولوجية وكيميائية معينة قد لا تكون شائعة.
لدينا في دراسة حديثة, زملائي و انا وجدت حلاً أبسط وأكثر عمومية لمفارقة الماء. ومن المفارقات ، أن الماء نفسه - أو بشكل أكثر دقة ، قطرات الماء الصغيرة جدًا - هو الذي سمح للجزيئات الحيوية المبكرة بالتشكل.
لماذا Microdroplets؟
تتواجد قطرات الماء في كل مكان ، سواء في العالم الحديث أو بشكل خاص خلال الأرض البريبايوتيكية (أو ما قبل الحياة). في كوكب تغطيه الأمواج المتلاطمة والمد والجزر الهائج ، تتساقط قطرات الماء الصغيرة رذاذ البحر والهباء الجوي الأخرى كان من الممكن أن يوفر مكانًا بسيطًا وفيرًا لـ أول جزيئات حيوية يتم تجميعها.
قطرات الماء الدقيقة - عادةً قطرات صغيرة جدًا بأقطار حوالي جزء من المليون من المتر، أصغر بكثير من قطر حرير العنكبوت—قد لا يبدو أنه يحل مفارقة المياه في البداية ، حتى تفكر في البيئات الكيميائية الخاصة جدًا التي تخلقها.
للقطرات الدقيقة نسبة كبيرة من مساحة السطح إلى الحجم يصبح أكبر كلما كانت القطرة أصغر. هذا يعني أن هناك مساحة كبيرة حيث يلتقي المذيب الذي يصنعون منه (في هذه الحالة ، الماء) والوسط الذي يحيطون به (في هذه الحالة ، الهواء).
على مر السنين ، أظهر الباحثون أن واجهة الهواء والماء هي بيئة كيميائية فريدة من نوعها. يهيمن على كيمياء واجهات القطرات الصغيرة هذه مجالات كهربائية كبيرة, الذوبان الجزئي حيث الجزيئات محاطة جزئيًا بالماء ، جزيئات شديدة التفاعلو حموضة عالية جدا. كل هذه العوامل تسمح للقطرات الدقيقة بتسريع التفاعلات الكيميائية التي تحدث فيها.
مختبرنا كان يدرس microdroplets ل a عقد، وقد أظهر عملنا السابق كيف يمكن تسريع معدل التفاعلات الكيميائية الشائعة إلى أ مليون مرة أسرع في القطرات الصغيرة. يمكن الآن أن تكتمل التفاعلات التي كانت ستستغرق يومًا كاملاً في جزء من الثانية فقط باستخدام هذه القطرات الصغيرة.
In عملنا الأخير، اقترحنا أن القطرات الصغيرة يمكن أن تكون حلاً لمفارقة الماء لأن واجهة الهواء والماء الخاصة بها لا تسرع التفاعلات فحسب ، بل تعمل أيضًا كـ "سطح تجفيف" يسهل التفاعلات اللازمة لإنشاء جزيئات حيوية على الرغم من وجود الماء.
اختبرنا هذه النظرية عن طريق رش الأحماض الأمينية المذابة في قطرات صغيرة من الماء باتجاه أ مطياف الكتلة، أداة يمكن استخدامها لتحليل نواتج تفاعل كيميائي. وجدنا أن اثنين من الأحماض الأمينية يمكن أن ينضموا معًا بنجاح في وجود الماء عبر قطرات صغيرة. عندما أضفنا المزيد من الأحماض الأمينية واصطدمنا ببخاخين من هذا الخليط معًا ، محاكية موجات تحطم في عالم البريبايوتيك ، وجدنا أن هذا يمكن أن يشكل سلاسل ببتيدية قصيرة تصل إلى ستة أحماض أمينية.
تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن قطرات الماء الدقيقة في أماكن مثل رذاذ البحر أو الهباء الجوي كانت مفاعلات دقيقة أساسية في بداية الأرض. بعبارة أخرى ، قد تكون القطرات الصغيرة قد وفرت وسيطًا كيميائيًا سمح للجزيئات الأساسية للحياة بالتشكل من مركبات صغيرة بسيطة مذابة في المحيط البدائي الشاسع الذي غطى الكوكب.
Microdroplets الماضي والمستقبل
قد تكون كيمياء القطرات الدقيقة مفيدة في مواجهة التحديات الحالية في العديد من المجالات العلمية.
يتطلب اكتشاف الأدوية ، على سبيل المثال ، تخليق واختبار مئات الآلاف من المركبات للعثور على عقار جديد محتمل. يمكن دمج قوة تفاعلات القطرات الصغيرة مع الأتمتة والأدوات الجديدة لتسريع معدلات التوليف إلى أكثر من رد فعل في الثانية وأيضا التحليل البيولوجي لأقل من ثانية لكل عينة.
وبهذه الطريقة ، فإن الظاهرة نفسها التي ربما تكون قد ساعدت في نشأة اللبنات الأساسية للحياة منذ مليارات السنين يمكن أن تساعد العلماء الآن على تطوير أدوية ومواد جديدة بشكل أسرع وأكثر كفاءة.
ربما JRR تولكين كان محقًا عندما كتب: "غالبًا ما يكون هذا هو مسار الأعمال التي تحرك عجلات العالم: الأيدي الصغيرة تفعلها لأنها يجب أن تفعلها ، بينما عيون العظماء في مكان آخر."
أعتقد أن أهمية هذه القطرات الصغيرة أكبر بكثير من حجمها الصغير.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.
