Se trata de un paradoja: La vida necesita agua para sobrevivir, pero un mundo lleno de agua no puede generar las biomoléculas que habrían sido esenciales para la vida temprana. O eso pensaron los investigadores.
El agua está en todas partes. La mayor parte del cuerpo humano está hecho de eso, gran parte del planeta tierra está cubierto por él, y los humanos no pueden sobrevivir más de un un par de días sin beberlo. Las moléculas de agua tienen características únicas que les permiten disolver y transportar compuestos a través de su cuerpo, proporcionar estructura a sus células y regular su temperatura. De hecho, las reacciones químicas básicas que permiten la vida tal como la conocemos requieren agua, fotosíntesis siendo un ejemplo.
Sin embargo, cuando las primeras biomoléculas como las proteínas y el ADN comenzaron a unirse en las primeras etapas del planeta Tierra, el agua era en realidad una barrera para la vida.
La razón es sorprendentemente simple: la presencia de agua evita que los compuestos químicos pierdan agua. Tomemos, por ejemplo, las proteínas, que son una de las principales clases de moléculas biológicas que componen su cuerpo. Las proteínas son, en esencia, cadenas de aminoácidos unidos entre sí por enlaces químicos. Estos enlaces se forman a través de un reacción de condensación que resulta en la pérdida de una molécula de agua. Esencialmente, los aminoácidos necesitan "secarse" para formar una proteína.
Considerando que la Tierra antes de que existiera la vida cubierto de agua, esto fue un gran problema para hacer las proteínas esenciales para la vida. Al igual que tratar de secarse dentro de una piscina, dos aminoácidos habrían tenido dificultades para perder agua para unirse en el sopa primordial de la Tierra primitiva. Y no fueron solo las proteínas las que enfrentaron este problema en presencia de agua: otras biomoléculas esenciales para la vida, incluido el ADN y los azúcares complejos, también dependen de las reacciones de condensación y la pérdida de agua para formarse.
A lo largo de los años, los investigadores han propuesto muchas soluciones a esta “paradoja del agua”. La mayoría de ellos se basan en escenarios muy específicos en la Tierra primitiva que podrían haber permitido la eliminación del agua. Éstos incluyen charcos de secado, superficies minerales, aguas termales y respiraderos hidrotermicos, entre otros. Estas soluciones, aunque plausibles, requieren condiciones geológicas y químicas particulares que podrían no haber sido comunes.
En nuestros estudio reciente, mis colegas y yo encontró una solución más simple y más general a la paradoja del agua. Irónicamente, podría ser el agua misma, o para ser más precisos, gotas de agua muy pequeñas, lo que permitió que se formaran las primeras biomoléculas.
¿Por qué microgotas?
Las gotas de agua están en todas partes, tanto en el mundo moderno como especialmente durante la Tierra prebiótica (o anterior a la vida). En un planeta cubierto por olas rompientes y mareas embravecidas, las pequeñas gotas de agua en spray de mar y otros aerosoles habría provisto plausiblemente un lugar simple y abundante para el primeras biomoléculas en ensamblarse.
Microgotas de agua: por lo general, gotas muy pequeñas con diámetros alrededor de una millonésima de metro, mucho más pequeño que el diámetro de la seda de araña— puede parecer que no resuelven la paradoja del agua al principio, hasta que consideres los ambientes químicos muy particulares que crean.
Las microgotas tienen una relación sustancial de área de superficie a volumen que se hace más grande cuanto más pequeña es la gota. Esto significa que hay un espacio significativo donde se encuentran el solvente del que están hechos (en este caso, agua) y el medio que los rodea (en este caso, aire).
A lo largo de los años, los investigadores han demostrado que la interfaz aire-agua es un entorno químico único. La química de estas interfaces de microgotas está dominada por grandes campos eléctricos, solvacion parcial donde las moléculas están parcialmente rodeadas de agua, moléculas altamente reactivasy muy alta acidez. Todos estos factores permiten que las microgotas aceleren las reacciones químicas que ocurren en ellas.
Nuestro laboratorio ha estado estudiando las microgotas durante un década, y nuestro trabajo anterior ha demostrado cómo la velocidad de las reacciones químicas comunes se puede acelerar hasta un millones de veces más rápido en microgotas. Las reacciones que habrían tomado un día completo ahora podrían completarse en solo una fracción de segundo usando estas pequeñas gotas.
In nuestro trabajo reciente, propusimos que las microgotas podrían ser una solución a la paradoja del agua porque su interfaz aire-agua no solo acelera las reacciones sino que también actúa como una "superficie de secado" que facilita las reacciones necesarias para crear biomoléculas a pesar de la presencia de agua.
Probamos esta teoría rociando aminoácidos disueltos en microgotas de agua hacia un espectrómetro de masas, un instrumento que se puede utilizar para analizar los productos de una reacción química. Descubrimos que dos aminoácidos pueden unirse con éxito en presencia de agua a través de microgotas. Cuando agregamos más aminoácidos y chocamos dos aerosoles de esta mezcla, imitando las olas rompientes en el mundo prebiótico, descubrimos que esto puede formar cadenas peptídicas cortas de hasta seis aminoácidos.
Nuestros hallazgos sugieren que las microgotas de agua en entornos como el rocío marino o los aerosoles atmosféricos fueron microrreactores fundamentales en la Tierra primitiva. En otras palabras, las microgotas pueden haber proporcionado un medio químico que permitió que se formaran las moléculas básicas de la vida a partir de los compuestos simples y pequeños disueltos en el vasto océano primordial que cubría el planeta.
Microgotas Pasado y Futuro
La química de las microgotas podría ser útil para abordar los desafíos actuales en muchos campos científicos.
El descubrimiento de fármacos, por ejemplo, requiere sintetizar y probar cientos de miles de compuestos para encontrar un nuevo fármaco potencial. El poder de las reacciones de microgotas se puede integrar con automatización y nuevas herramientas para acelerar las tasas de síntesis para más de una reacción por segundo al igual que análisis biológico a menos de un segundo por muestra.
De esta manera, el mismo fenómeno que podría haber ayudado al origen de los componentes básicos de la vida hace miles de millones de años ahora puede ayudar a los científicos a desarrollar nuevos medicamentos y materiales de manera más rápida y eficiente.
Quizás JRR Tolkien Tenía razón cuando escribió: “Tal es a menudo el curso de las acciones que mueven las ruedas del mundo: las manos pequeñas las hacen porque deben hacerlo, mientras que los ojos de los grandes están en otra parte”.
Creo que la importancia de estas pequeñas gotas es mucho mayor que su pequeño tamaño.
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