Είναι μια παράδοξο: Η ζωή χρειάζεται νερό για να επιβιώσει, αλλά ένας κόσμος γεμάτος νερό δεν μπορεί να δημιουργήσει τα βιομόρια που θα ήταν απαραίτητα για την πρώιμη ζωή. Ή τουλάχιστον έτσι νόμιζαν οι ερευνητές.
Το νερό είναι παντού. Το μεγαλύτερο μέρος του ανθρώπινου σώματος είναι φτιαγμένο από αυτό, μεγάλο μέρος του πλανήτη Γη καλύπτεται από αυτό, και οι άνθρωποι δεν μπορούν να επιβιώσουν περισσότερο από α δυο μέρες χωρίς να το πιω. Τα μόρια του νερού έχουν μοναδικά χαρακτηριστικά που τους επιτρέπουν να διαλύουν και να μεταφέρουν ενώσεις μέσω του σώματός σας, να παρέχουν δομή στα κύτταρα σας και να ρυθμίζουν τη θερμοκρασία σας. Στην πραγματικότητα, οι βασικές χημικές αντιδράσεις που επιτρέπουν τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε απαιτούν νερό, φωτοσύνθεση είναι ένα παράδειγμα.
Ωστόσο, όταν τα πρώτα βιομόρια όπως οι πρωτεΐνες και το DNA άρχισαν να ενώνονται στα πρώτα στάδια του πλανήτη Γη, το νερό ήταν στην πραγματικότητα ένα εμπόδιο στη ζωή.
Ο λόγος είναι εκπληκτικά απλός: Η παρουσία νερού εμποδίζει τις χημικές ενώσεις να χάσουν νερό. Πάρτε, για παράδειγμα, τις πρωτεΐνες, οι οποίες είναι μία από τις κύριες κατηγορίες βιολογικών μορίων που συνθέτουν το σώμα σας. Οι πρωτεΐνες είναι, στην ουσία, αλυσίδες αμινοξέων που συνδέονται μεταξύ τους με χημικούς δεσμούς. Αυτοί οι δεσμοί σχηματίζονται μέσω α αντίδραση συμπύκνωσης που έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια ενός μορίου νερού. Ουσιαστικά, τα αμινοξέα πρέπει να «στεγνώσουν» για να σχηματίσουν μια πρωτεΐνη.
Λαμβάνοντας υπόψη ότι η Γη πριν από τη ζωή ήταν καλυμμένο με νερό, αυτό ήταν ένα μεγάλο πρόβλημα για να γίνουν οι πρωτεΐνες απαραίτητες για τη ζωή. Όπως προσπαθούσαμε να στεγνώσουμε μέσα σε μια πισίνα, δύο αμινοξέα θα δυσκολεύονταν να χάσουν νερό για να ενωθούν. αρχέγονη σούπα της πρώιμης Γης. Και δεν ήταν μόνο οι πρωτεΐνες που αντιμετώπισαν αυτό το πρόβλημα παρουσία νερού: Άλλα βιομόρια απαραίτητα για τη ζωή, συμπεριλαμβανομένου του DNA και των σύνθετων σακχάρων, βασίζονται επίσης στις αντιδράσεις συμπύκνωσης και στην απώλεια νερού για να σχηματιστούν.
Με τα χρόνια, οι ερευνητές έχουν προτείνει πολλές λύσεις σε αυτό το «παράδοξο του νερού». Τα περισσότερα από αυτά βασίζονται σε πολύ συγκεκριμένα σενάρια στην πρώιμη Γη που θα μπορούσαν να έχουν επιτρέψει την απομάκρυνση του νερού. Αυτά περιλαμβάνουν λακκούβες ξήρανσης, ορυκτές επιφάνειες, θερμοπηγές και υδροθερμικοί αεραγωγοί, μεταξύ άλλων. Αυτές οι λύσεις, αν και εύλογες, απαιτούν ιδιαίτερες γεωλογικές και χημικές συνθήκες που μπορεί να μην ήταν συνηθισμένες.
Σε μας πρόσφατη μελέτη, οι συνάδελφοί μου και I βρήκε μια απλούστερη και γενικότερη λύση στο παράδοξο του νερού. Αρκετά ειρωνικά, μπορεί να είναι το ίδιο το νερό - ή για να είμαστε πιο ακριβείς, πολύ μικρές σταγόνες νερού - που επέτρεψαν να σχηματιστούν πρώιμα βιομόρια.
Γιατί Microdroplets;
Οι σταγόνες νερού είναι παντού, τόσο στον σύγχρονο κόσμο όσο και ειδικά κατά τη διάρκεια της πρεβιοτικής (ή προ-ζωής) της Γης. Σε έναν πλανήτη που καλύπτεται από κύματα και μανιασμένες παλίρροιες, οι μικρές σταγόνες νερού πέφτουν μέσα θαλάσσιο σπρέι και άλλα αερολύματα θα παρείχε εύλογα ένα απλό και άφθονο μέρος για το τα πρώτα βιομόρια που συγκεντρώθηκαν.
Μικροσταγονίδια νερού—συνήθως πολύ μικρά σταγονίδια με διάμετρο γύρω στο ένα εκατομμυριοστό του μέτρου, πολύ μικρότερο από το διάμετρος από μετάξι αράχνης—Μπορεί αρχικά να μην φαίνεται να λύνει το παράδοξο του νερού, μέχρι να σκεφτείτε τα πολύ συγκεκριμένα χημικά περιβάλλοντα που δημιουργούν.
Τα μικροσταγονίδια έχουν μια σημαντική αναλογία επιφάνειας προς όγκο που μεγαλώνει όσο μικρότερο είναι το σταγονίδιο. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει ένας σημαντικός χώρος όπου συναντώνται ο διαλύτης από τον οποίο είναι φτιαγμένα (στην περίπτωση αυτή, το νερό) και το μέσο από το οποίο περιβάλλονται (στην περίπτωση αυτή, ο αέρας).
Με τα χρόνια, οι ερευνητές έχουν δείξει ότι η διεπαφή αέρα-νερού είναι ένα μοναδικό χημικό περιβάλλον. Η χημεία αυτών των διεπαφών μικροσταγονιδίων κυριαρχείται από μεγάλα ηλεκτρικά πεδία, μερική επίλυση όπου τα μόρια περιβάλλονται μερικώς από νερό, μόρια υψηλής αντίδρασης, να πολύ υψηλή οξύτητα. Όλοι αυτοί οι παράγοντες επιτρέπουν στα μικροσταγονίδια να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν σε αυτά.
Το εργαστήριό μας έχει μελετήσει μικροσταγονίδια για α δεκαετία, και η προηγούμενη εργασία μας έδειξε πώς ο ρυθμός των κοινών χημικών αντιδράσεων μπορεί να επιταχυνθεί μέχρι α εκατομμύρια φορές πιο γρήγορα σε μικροσταγονίδια. Οι αντιδράσεις που θα χρειάζονταν μια ολόκληρη μέρα θα μπορούσαν τώρα να ολοκληρωθούν σε μόλις ένα κλάσμα του δευτερολέπτου χρησιμοποιώντας αυτά τα μικρά σταγονίδια.
In πρόσφατη δουλειά μας, προτείναμε ότι τα μικροσταγονίδια θα μπορούσαν να είναι μια λύση στο παράδοξο του νερού, επειδή η διεπαφή αέρα-νερού τους όχι μόνο επιταχύνει τις αντιδράσεις, αλλά λειτουργεί και ως «επιφάνεια στεγνώματος» που διευκολύνει τις αντιδράσεις που απαιτούνται για τη δημιουργία βιομορίων παρά την παρουσία νερού.
Δοκιμάσαμε αυτή τη θεωρία ψεκάζοντας αμινοξέα διαλυμένα σε μικροσταγονίδια νερού προς α φασματόμετρο μάζας, ένα όργανο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση των προϊόντων μιας χημικής αντίδρασης. Βρήκαμε ότι δύο αμινοξέα μπορούν να ενωθούν με επιτυχία παρουσία νερού μέσω μικροσταγονιδίων. Όταν προσθέσαμε περισσότερα αμινοξέα και συγκρούσαμε δύο ψεκασμούς αυτού του μείγματος, μιμούμενοι τα κύματα που συντρίβονται στον πρεβιοτικό κόσμο, ανακαλύψαμε ότι αυτό μπορεί να σχηματίσει μικρές πεπτιδικές αλυσίδες έως και έξι αμινοξέων.
Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι τα μικροσταγονίδια νερού σε περιβάλλοντα όπως το θαλάσσιο σπρέι ή τα ατμοσφαιρικά αερολύματα ήταν θεμελιώδεις μικροαντιδραστήρες στην πρώιμη Γη. Με άλλα λόγια, τα μικροσταγονίδια μπορεί να παρείχαν ένα χημικό μέσο που επέτρεπε στα βασικά μόρια της ζωής να σχηματιστούν από τις απλές, μικρές ενώσεις που ήταν διαλυμένες στον τεράστιο αρχέγονο ωκεανό που κάλυπτε τον πλανήτη.
Μικροσταγονίδια Παρελθόν και Μέλλον
Η χημεία των μικροσταγονιδίων μπορεί να είναι χρήσιμη για την αντιμετώπιση των τρεχουσών προκλήσεων σε πολλά επιστημονικά πεδία.
Η ανακάλυψη φαρμάκων, για παράδειγμα, απαιτεί τη σύνθεση και τη δοκιμή εκατοντάδων χιλιάδων ενώσεων για να βρεθεί ένα πιθανό νέο φάρμακο. Η δύναμη των αντιδράσεων μικροσταγονιδίων μπορεί να ενσωματωθεί με αυτοματισμό και νέα εργαλεία για την επιτάχυνση των ρυθμών σύνθεσης σε περισσότερες από μία αντιδράσεις ανά δευτερόλεπτο καθώς βιολογική ανάλυση σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο ανά δείγμα.
Με αυτόν τον τρόπο, το ίδιο φαινόμενο που θα μπορούσε να βοήθησε στην προέλευση των δομικών στοιχείων της ζωής πριν από δισεκατομμύρια χρόνια μπορεί τώρα να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναπτύξουν νέα φάρμακα και υλικά γρηγορότερα και πιο αποτελεσματικά.
Ισως JRR Tolkien είχε δίκιο όταν έγραψε: «Τέτοια είναι συχνά η πορεία των πράξεων που κινούν τους τροχούς του κόσμου: τα μικρά χέρια τα κάνουν γιατί πρέπει, ενώ τα μάτια των μεγάλων είναι αλλού».
Πιστεύω ότι η σημασία αυτών των μικρών σταγονιδίων είναι πολύ μεγαλύτερη από το μικροσκοπικό τους μέγεθος.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
