Det er en paradoks: Livet har brug for vand for at overleve, men en verden fuld af vand kan ikke generere de biomolekyler, der ville have været afgørende for tidligt liv. Eller det troede forskere.
Vand er overalt. Det meste af menneskekroppen er lavet af det, meget af planeten Jorden er dækket af det, og mennesker kan ikke overleve mere end en et par dage uden at drikke det. Vandmolekyler har unikke egenskaber som giver dem mulighed for at opløse og transportere forbindelser gennem din krop, give struktur til dine celler og regulere din temperatur. Faktisk kræver de grundlæggende kemiske reaktioner, der muliggør liv, som vi kender det, vand, fotosyntese være ét eksempel.
Men da de første biomolekyler som proteiner og DNA begyndte at samles i de tidlige stadier af planeten Jorden, var vand faktisk en barriere for liv.
Årsagen er overraskende enkel: Tilstedeværelsen af vand forhindrer kemiske forbindelser i at miste vand. Tag for eksempel proteiner, som er en af hovedklasserne af biologiske molekyler, der udgør din krop. Proteiner er i bund og grund kæder af aminosyrer forbundet med kemiske bindinger. Disse bindinger dannes gennem en kondensationsreaktion hvilket resulterer i tab af et vandmolekyle. Grundlæggende skal aminosyrerne blive "tørre" for at danne et protein.
I betragtning af at Jorden før livet var dækket af vand, dette var en stort problem for at gøre proteinerne essentielle for livet. Som at prøve at blive tør inde i en swimmingpool, ville to aminosyrer have haft svært ved at miste vand for at komme sammen i ursuppe af den tidlige Jord. Og det var ikke kun proteiner, der stod over for dette problem i nærvær af vand: Andre biomolekyler, der er essentielle for livet, herunder DNA og komplekse sukkerarter, er også afhængige af kondensationsreaktioner og tab af vand til dannelse.
Gennem årene har forskere foreslået mange løsninger på dette "vandparadoks". De fleste af dem er afhængige af meget specifikke scenarier på den tidlige jord, der kunne have tilladt fjernelse af vand. Disse omfatter tørre vandpytter, mineralske overflader, varme kilder , hydrotermiske ventilationskanaler, blandt andre. Selvom disse løsninger er plausible, kræver de særlige geologiske og kemiske forhold, som måske ikke har været almindelige.
I vores nylig undersøgelse, mine kollegaer og jeg fundet en enklere og mere generel løsning på vandparadokset. Helt ironisk nok kan det være vandet i sig selv - eller mere præcist, meget små vanddråber - der gjorde det muligt for tidlige biomolekyler at dannes.
Hvorfor mikrodråber?
Vanddråber er overalt, både i den moderne verden og især under den præbiotiske (eller før-live) Jorden. På en planet, der er dækket af brusende bølger og rasende tidevand, falder de små vanddråber ind havspray og andre aerosoler ville sandsynligvis have givet et enkelt og rigeligt sted for første biomolekyler til at samle.
Vand mikrodråber - typisk meget små dråber med diametre omkring en milliontedel af en meter, langt mindre end diameter af edderkoppesilke- Det ser måske ikke ud til at løse vandparadokset i starten, før du overvejer de helt særlige kemiske miljøer, de skaber.
Mikrodråber har et betydeligt forhold mellem overfladeareal og volumen bliver større jo mindre dråben er. Det betyder, at der er et betydeligt rum, hvor opløsningsmidlet de er lavet af (i dette tilfælde vand) og det medium de er omgivet af (i dette tilfælde luft) mødes.
Gennem årene har forskere vist, at luft-vand-grænsefladen er et unikt kemisk miljø. Kemien af disse mikrodråbegrænseflader er domineret af store elektriske felter, delvis løsning hvor molekyler er delvist omgivet af vand, meget reaktive molekylerog meget høj surhedsgrad. Alle disse faktorer gør det muligt for mikrodråber at fremskynde de kemiske reaktioner, der opstår i dem.
Vores laboratorium har studeret mikrodråber i en årti, og vores tidligere arbejde har vist, hvordan hastigheden af almindelige kemiske reaktioner kan fremskyndes til en Millioner gange hurtigere i mikrodråber. Reaktioner, der ville have taget en hel dag, kunne nu være fuldstændige på blot en brøkdel af et sekund ved at bruge disse små dråber.
In vores seneste arbejde, foreslog vi, at mikrodråber kunne være en løsning på vandparadokset, fordi deres luft-vand-grænseflade ikke kun accelererer reaktioner, men også fungerer som en "tørrende overflade", der letter de reaktioner, der er nødvendige for at skabe biomolekyler på trods af tilstedeværelsen af vand.
Vi testede denne teori ved at sprøjte aminosyrer opløst i mikrodråber vand mod en massespektrometer, et instrument, der kan bruges til at analysere produkterne af en kemisk reaktion. Vi fandt ud af, at to aminosyrer med succes kan slutte sig sammen i nærvær af vand via mikrodråber. Da vi tilføjede flere aminosyrer og kolliderede to sprays af denne blanding sammen, og efterlignede brusende bølger i den præbiotiske verden, fandt vi ud af, at dette kan danne korte peptidkæder på op til seks aminosyrer.
Vores resultater tyder på, at vanddråber i omgivelser som havspray eller atmosfæriske aerosoler var fundamentale mikroreaktorer i den tidlige jord. Med andre ord kan mikrodråber have givet et kemisk medium, der gjorde det muligt for livets grundlæggende molekyler at danne sig ud fra de simple, små forbindelser opløst i det enorme urhav, der dækkede planeten.
Mikrodråber fortid og fremtid
Mikrodråbernes kemi kan være nyttig til at tackle aktuelle udfordringer på tværs af mange videnskabelige områder.
Lægemiddelopdagelse kræver for eksempel syntetisering og test af hundredtusindvis af forbindelser for at finde et potentielt nyt lægemiddel. Styrken ved mikrodråbereaktioner kan integreres med automatisering og nye værktøjer til at fremskynde syntesehastigheder til mere end én reaktion i sekundet samt biologisk analyse til mindre end et sekund pr. prøve.
På denne måde kan det samme fænomen, som kunne have hjulpet med oprindelsen af livets byggesten for milliarder af år siden, nu hjælpe videnskabsmænd med at udvikle ny medicin og materialer hurtigere og mere effektivt.
Måske JRR Tolkien havde ret, da han skrev: "Sådan er forløbet af gerninger, der bevæger verdens hjul: små hænder gør dem, fordi de skal, mens de stores øjne er andre steder."
Jeg tror, at vigtigheden af disse små dråber er langt større end deres lille størrelse.
Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.
