Es ist ein Paradox: Leben braucht Wasser zum Überleben, aber eine Welt voller Wasser kann nicht die Biomoleküle erzeugen, die für das frühe Leben unerlässlich gewesen wären. Das dachten jedenfalls Forscher.
Wasser ist überall. Der größte Teil des menschlichen Körpers ist daraus gemacht, viel vom Planeten Erde ist davon bedeckt, und Menschen können nicht mehr überleben als a paar Tage ohne es zu trinken. Wassermoleküle haben einzigartige Charakteristika die es ihnen ermöglichen, Verbindungen aufzulösen und durch Ihren Körper zu transportieren, Ihren Zellen Struktur zu verleihen und Ihre Temperatur zu regulieren. Tatsächlich benötigen die grundlegenden chemischen Reaktionen, die das Leben, wie wir es kennen, ermöglichen, Wasser, Photosynthese ein Beispiel sein.
Als jedoch die ersten Biomoleküle wie Proteine und DNA in den frühen Stadien des Planeten Erde zusammenkamen, war Wasser tatsächlich eine Barriere für Leben.
Der Grund dafür ist überraschend einfach: Die Anwesenheit von Wasser verhindert, dass chemische Verbindungen Wasser verlieren. Nehmen Sie zum Beispiel Proteine, die eine der Hauptklassen biologischer Moleküle sind, aus denen Ihr Körper besteht. Proteine sind im Wesentlichen Ketten von Aminosäuren, die durch chemische Bindungen miteinander verbunden sind. Diese Bindungen werden gebildet durch a Kondensationsreaktion das führt zum Verlust eines Wassermoleküls. Im Wesentlichen müssen die Aminosäuren „trocken“ werden, um ein Protein zu bilden.
Wenn man bedenkt, dass die Erde vor dem Leben war mit Wasser bedeckt, das war ein großes Problem für die Herstellung der lebensnotwendigen Proteine. Wie beim Versuch, in einem Schwimmbecken trocken zu werden, hätten zwei Aminosäuren es schwer gehabt, Wasser zu verlieren, um im Wasser zusammenzukommen Ursuppe der frühen Erde. Und nicht nur Proteine waren in Gegenwart von Wasser mit diesem Problem konfrontiert: Auch andere lebenswichtige Biomoleküle, darunter DNA und komplexe Zucker, sind auf Kondensationsreaktionen und Wasserverlust angewiesen, um sich zu bilden.
Im Laufe der Jahre haben Forscher viele Lösungen für dieses „Wasserparadoxon“ vorgeschlagen. Die meisten von ihnen stützen sich auf sehr spezifische Szenarien auf der frühen Erde, die eine Wasserentfernung ermöglicht haben könnten. Diese beinhalten trocknende Pfützen, mineralische Oberflächen, Thermalquelle gewonnen und hydrothermale Entlüftungen, unter anderen. Diese Lösungen sind zwar plausibel, erfordern jedoch besondere geologische und chemische Bedingungen, die möglicherweise nicht alltäglich waren.
In unserer aktuellen Studie, meine Kollegen und ich fanden eine einfachere und allgemeinere Lösung für das Wasserparadoxon. Ironischerweise könnte es Wasser selbst – oder genauer gesagt, sehr kleine Wassertröpfchen – sein, das die Bildung früher Biomoleküle ermöglichte.
Warum Mikrotröpfchen?
Wassertröpfchen sind überall, sowohl in der modernen Welt als auch besonders während der präbiotischen (oder vorlebenden) Erde. Auf einem Planeten, der von tosenden Wellen und tobenden Fluten bedeckt ist, dringen die kleinen Wassertröpfchen ein Seespray und andere Aerosole hätte plausibel einen einfachen und reichlich vorhandenen Platz für die bereitgestellt erste Biomoleküle, die sich zusammensetzen.
Wassermikrotröpfchen – typischerweise sehr kleine Tröpfchen mit Durchmessern etwa ein Millionstel Meter, viel kleiner als die Durchmesser von Spinnenseide– scheint das Wasserparadoxon zunächst nicht zu lösen, bis Sie die ganz besonderen chemischen Umgebungen berücksichtigen, die sie schaffen.
Mikrotröpfchen haben ein beträchtliches Verhältnis von Oberfläche zu Volumen wird größer, je kleiner das Tröpfchen ist. Dies bedeutet, dass es einen beträchtlichen Raum gibt, in dem sich das Lösungsmittel, aus dem sie bestehen (in diesem Fall Wasser) und das Medium, von dem sie umgeben sind (in diesem Fall Luft), treffen.
Im Laufe der Jahre haben Forscher gezeigt, dass die Luft-Wasser-Grenzfläche eine einzigartige chemische Umgebung ist. Die Chemie dieser Mikrotröpfchengrenzflächen wird dominiert von große elektrische Felder, partielle Solvatisierung wo Moleküle teilweise von Wasser umgeben sind, hochreaktive Moleküle und sehr hoher Säuregehalt. All diese Faktoren ermöglichen es Mikrotröpfchen, die in ihnen ablaufenden chemischen Reaktionen zu beschleunigen.
Unser Labor untersucht Mikrotröpfchen seit a Jahrzehnte, und unsere frühere Arbeit hat gezeigt, wie die Geschwindigkeit üblicher chemischer Reaktionen auf a beschleunigt werden kann Millionen Mal schneller in Mikrotröpfchen. Reaktionen, die einen ganzen Tag gedauert hätten, könnten jetzt mit diesen kleinen Tröpfchen in Sekundenbruchteilen abgeschlossen werden.
In unsere letzte Arbeitschlugen wir vor, dass Mikrotröpfchen eine Lösung für das Wasserparadoxon sein könnten, da ihre Luft-Wasser-Grenzfläche nicht nur Reaktionen beschleunigt, sondern auch als „Trocknungsoberfläche“ fungiert, die die Reaktionen erleichtert, die zur Bildung von Biomolekülen trotz der Anwesenheit von Wasser erforderlich sind.
Wir testeten diese Theorie, indem wir in Mikrotröpfchen Wasser gelöste Aminosäuren auf a sprühten Massenspektrometer, ein Instrument, mit dem die Produkte einer chemischen Reaktion analysiert werden können. Wir fanden heraus, dass sich zwei Aminosäuren in Gegenwart von Wasser über Mikrotröpfchen erfolgreich verbinden können. Als wir mehr Aminosäuren hinzufügten und zwei Sprays dieser Mischung zusammen kollidierten, um brechende Wellen in der präbiotischen Welt nachzuahmen, stellten wir fest, dass dies kurze Peptidketten von bis zu sechs Aminosäuren bilden kann.
Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Wassermikrotröpfchen in Umgebungen wie Gischt oder atmosphärischen Aerosolen grundlegende Mikroreaktoren in der frühen Erde waren. Mit anderen Worten, Mikrotröpfchen haben möglicherweise ein chemisches Medium bereitgestellt, das es den grundlegenden Molekülen des Lebens ermöglichte, sich aus den einfachen, kleinen Verbindungen zu bilden, die in dem riesigen Urozean gelöst waren, der den Planeten bedeckte.
Mikrotröpfchen Vergangenheit und Zukunft
Die Chemie von Mikrotröpfchen könnte bei der Bewältigung aktueller Herausforderungen in vielen wissenschaftlichen Bereichen hilfreich sein.
Die Wirkstoffforschung erfordert beispielsweise die Synthese und Prüfung von Hunderttausenden von Verbindungen, um ein potenzielles neues Medikament zu finden. Die Leistungsfähigkeit von Mikrotröpfchenreaktionen kann mit Automatisierung und neuen Werkzeugen integriert werden, um die Syntheseraten zu beschleunigen mehr als eine Reaktion pro Sekunde und auch der biologische Analyse auf weniger als eine Sekunde pro Abtastung.
Auf diese Weise kann das gleiche Phänomen, das möglicherweise vor Milliarden von Jahren zur Entstehung der Bausteine des Lebens beigetragen hat, Wissenschaftlern jetzt dabei helfen, neue Medikamente und Materialien schneller und effizienter zu entwickeln.
Vielleicht JRR Tolkien hatte Recht, als er schrieb: „So ist oft der Lauf der Taten, die die Räder der Welt bewegen: Kleine Hände tun sie, weil sie müssen, während die Augen der Großen anderswo sind.“
Ich glaube, die Bedeutung dieser kleinen Tröpfchen ist viel größer als ihre winzige Größe.
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