On paradoks: Elu vajab ellujäämiseks vett, kuid vett täis maailm ei suuda genereerida biomolekule, mis oleksid olnud varases elus hädavajalikud. Või nii arvasid teadlased.
Vesi on kõikjal. Suurem osa inimkehast on sellest tehtud, suur osa planeedist Maa on sellega kaetud ja inimesed ei suuda ellu jääda rohkem kui a paar päeva ilma joomata. Vee molekulidel on ainulaadsed omadused mis võimaldavad neil lahustada ja transportida ühendeid läbi teie keha, luua teie rakkude struktuuri ja reguleerida teie temperatuuri. Tegelikult vajavad põhilised keemilised reaktsioonid, mis võimaldavad elu sellisel kujul, nagu me seda teame, vett, fotosüntees olles üks näide.
Kui aga esimesed biomolekulid, nagu valgud ja DNA, hakkasid planeedi Maa varases staadiumis kokku tulema, oli vesi tegelikult elutõkkeks.
Põhjus, miks see on üllatavalt lihtne: vee olemasolu takistab keemilistel ühenditel vett kaotamast. Võtame näiteks valgud, mis on üks peamisi teie keha moodustavate bioloogiliste molekulide klasse. Valgud on sisuliselt aminohapete ahelad, mis on omavahel seotud keemiliste sidemetega. Need sidemed tekivad läbi a kondensatsiooni reaktsioon mille tulemuseks on veemolekuli kadu. Põhimõtteliselt peavad aminohapped valgu moodustamiseks "kuivama".
Arvestades, et Maa enne elu oli veega kaetud, see oli a suur probleem eluks vajalike valkude muutmiseks. Nagu prooviks basseinis kuivada, oleks kahel aminohappel olnud raske vett kaotada, et basseinis kokku saada. ürgne supp varajasest Maast. Ja selle probleemiga ei seisnud vee juuresolekul silmitsi ainult valgud: ka teised eluks olulised biomolekulid, sealhulgas DNA ja komplekssuhkrud, sõltuvad kondenseerumisreaktsioonidest ja vee kadumisest.
Aastate jooksul on teadlased pakkunud sellele "vee paradoksile" palju lahendusi. Enamik neist tugineb väga spetsiifilistele stsenaariumidele varajases Maa peal, mis oleks võinud võimaldada vee eemaldamist. Need sisaldavad lompide kuivatamine, mineraalsed pinnad, Hot Springs ja hüdrotermilised ventilatsiooniavad, teiste hulgas. Need lahendused, kuigi usutavad, nõuavad konkreetseid geoloogilisi ja keemilisi tingimusi, mis ei pruugi olla tavalised.
Meie hiljutine uuring, minu kolleegid ja mina leidis vee paradoksile lihtsama ja üldisema lahenduse. Üsna iroonilisel kombel võib see olla vesi ise – või täpsemalt öeldes väga väikesed veepiisad –, mis võimaldasid varajastel biomolekulidel moodustuda.
Miks mikrotilgad?
Veepiisad on kõikjal, nii tänapäeva maailmas kui ka eriti prebiootilise (või elueelse) Maa ajal. Lainete ja mõõnadega kaetud planeedil tilguvad väikesed veepiisad sisse merepihustus ja muud aerosoolid oleks usutavasti pakkunud lihtsat ja külluslikku kohta Esimesed biomolekulid kogunevad.
Vee mikrotilgad – tavaliselt väga väikesed läbimõõduga tilgad umbes miljondik meetrit, palju väiksem kui ämbliksiidi läbimõõt— ei pruugi esmapilgul tunduda vee paradoksi lahendavat enne, kui arvate nende loodud väga spetsiifilist keemilist keskkonda.
Mikrotilkadel on märkimisväärne pindala ja ruumala suhe muutub seda suuremaks, mida väiksem on tilk. See tähendab, et lahusti, millest need on valmistatud (antud juhul vesi) ja neid ümbritsev keskkond (antud juhul õhk), on märkimisväärne ruum.
Aastate jooksul on teadlased näidanud, et õhu-vee liides on ainulaadne keemiline keskkond. Nende mikrotilkade liideste keemias domineerib suured elektriväljad, osaline lahendamine kus molekulid on osaliselt ümbritsetud veega, väga reaktiivsed molekulidja väga kõrge happesus. Kõik need tegurid võimaldavad mikrotilkadel kiirendada neis toimuvaid keemilisi reaktsioone.
Meie labor on uurinud mikropiiskusid juba a kümme aastat, ja meie eelmine töö on näidanud, kuidas tavaliste keemiliste reaktsioonide kiirust saab kiirendada kuni a miljonit korda mikrotilkades kiiremini. Reaktsioonid, mis oleksid võtnud terve päeva, võivad nüüd nende väikeste tilkade abil lõppeda vaid sekundi murdosaga.
In meie hiljutine töö, tegime ettepaneku, et mikrotilgad võiksid olla lahendus vee paradoksile, kuna nende õhu-vee liides mitte ainult ei kiirenda reaktsioone, vaid toimib ka "kuivamispinnana", mis hõlbustab biomolekulide loomiseks vajalikke reaktsioone vaatamata vee olemasolule.
Testisime seda teooriat, pihustades vee mikrotilkades lahustunud aminohappeid a suunas massispektromeeter, instrument, mida saab kasutada keemilise reaktsiooni saaduste analüüsimiseks. Leidsime, et kaks aminohapet saavad edukalt ühineda vee juuresolekul mikrotilkade kaudu. Kui lisasime rohkem aminohappeid ja põrkusime kokku kaks pihustust seda segu, jäljendades prebiootilises maailmas kokkupõrkeid, avastasime, et see võib moodustada kuni kuuest aminohappest koosnevaid lühikesi peptiidahelaid.
Meie tulemused näitavad, et vee mikrotilgad sellistes tingimustes nagu merepihustus või atmosfääri aerosoolid olid Maa varajases staadiumis olulised mikroreaktorid. Teisisõnu võisid mikrotilgad pakkuda keemilist keskkonda, mis võimaldas planeeti katvas tohutus ürgookeanis lahustunud lihtsatest väikestest ühenditest moodustada elu põhimolekulid.
Mikropiisakesed minevik ja tulevik
Mikrotilkade keemia võib olla abiks praeguste väljakutsete lahendamisel paljudes teadusvaldkondades.
Narkootikumide avastamine nõuab näiteks sadade tuhandete ühendite sünteesimist ja testimist, et leida potentsiaalset uut ravimit. Mikrotilkade reaktsioonide võimsust saab integreerida automatiseerimise ja uute tööriistadega, et kiirendada sünteesi kiirust. rohkem kui üks reaktsioon sekundis sama hästi kui bioloogiline analüüs alla sekundi proovi kohta.
Sel viisil võib sama nähtus, mis võis aidata kaasa elu ehitusplokkide tekkele miljardeid aastaid tagasi, aidata nüüd teadlastel uusi ravimeid ja materjale kiiremini ja tõhusamalt välja töötada.
Võibolla JRR Tolkien oli õigus, kui ta kirjutas: "Maailma rattaid liigutavad teod käivad sageli nii: väikesed käed teevad neid, sest nad peavad, samas kui suurte silmad on mujal."
Usun, et nende väikeste tilkade tähtsus on palju suurem kui nende pisike suurus.
See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.
