است اضداد: زندگی برای زنده ماندن به آب نیاز دارد، اما دنیای پر از آب نمی‌تواند زیست مولکول‌هایی را که برای زندگی اولیه ضروری بودند تولید کند. یا اینطور محققان فکر می کردند.
آب همه جا هست بیشتر بدن انسان از آن ساخته شده است، بیشتر سیاره زمین تحت پوشش آن است و انسان ها نمی توانند بیش از یک یکی دو روز بدون نوشیدن آن. مولکول های آب دارند ویژگی های منحصر به فرد که به آنها اجازه می دهد تا ترکیبات را در بدن شما حل و انتقال دهند، ساختار سلول های شما را فراهم کنند و دمای شما را تنظیم کنند. در واقع، واکنش‌های شیمیایی اساسی که زندگی را به گونه‌ای که ما می‌شناسیم را قادر می‌سازد، به آب نیاز دارد. فتوسنتز یک نمونه بودن
با این حال، زمانی که اولین مولکول‌های زیستی مانند پروتئین‌ها و DNA در مراحل اولیه سیاره زمین شروع به جمع شدن کردند، آب در واقع مانعی برای زندگی بود.
دلیل این امر به طرز شگفت آوری ساده است: وجود آب مانع از دست دادن آب توسط ترکیبات شیمیایی می شود. به عنوان مثال، پروتئین ها را در نظر بگیرید، که یکی از کلاس های اصلی مولکول های بیولوژیکی هستند که بدن شما را می سازند. پروتئین ها در اصل زنجیره ای از اسیدهای آمینه هستند که توسط پیوندهای شیمیایی به یکدیگر متصل شده اند. این پیوندها از طریق a واکنش تراکم که منجر به از دست دادن یک مولکول آب می شود. اساساً اسیدهای آمینه برای تشکیل پروتئین باید "خشک" شوند.
با توجه به اینکه زمین قبل از حیات بوده است پوشیده شده در آب، این یک بود مشکل بزرگ برای ساختن پروتئین های ضروری برای زندگی مانند تلاش برای خشک شدن در داخل یک استخر شنا، دو اسید آمینه برای از دست دادن آب به سختی در کنار هم قرار می گیرند. سوپ اولیه زمین اولیه و این تنها پروتئین ها نبودند که در حضور آب با این مشکل مواجه شدند: سایر مولکول های زیستی ضروری برای زندگی، از جمله DNA و قندهای پیچیده، نیز برای تشکیل به واکنش های تراکم و از دست دادن آب متکی هستند.
در طول سال‌ها، محققان راه‌حل‌های زیادی برای این «پارادوکس آب» پیشنهاد کرده‌اند. اکثر آنها به سناریوهای بسیار خاصی در زمین اولیه متکی هستند که می توانستند اجازه حذف آب را بدهند. این شامل گودال های خشک کردن, سطوح معدنی, چشمه های آب گرم و دریچه های هیدروترمال، بین دیگران. این راه حل ها، در حالی که قابل قبول هستند، به شرایط زمین شناسی و شیمیایی خاصی نیاز دارند که ممکن است معمول نبوده باشند.
در ما مطالعه اخیر, همکاران من و من راه حل ساده تر و کلی تری برای پارادوکس آب پیدا کرد. کاملاً طعنه آمیز، ممکن است خود آب - یا به عبارت دقیق تر، قطرات بسیار کوچک آب - باشد که به بیومولکول های اولیه اجازه تشکیل داده است.
چرا میکرو قطرات؟
قطرات آب در همه جا وجود دارد، چه در دنیای مدرن و چه در دوران پری بیوتیک (یا پیش از حیات) زمین. در سیاره ای که توسط امواج متلاشی و جزر و مد خشن پوشیده شده است، قطرات کوچک آب به داخل آن می ریزند اسپری دریا و سایر ذرات معلق در هوا به طور قابل قبولی مکانی ساده و فراوان برای آن فراهم می کرد اولین زیست مولکول هایی که جمع شدند.
ریز قطرات آب - معمولاً قطرات بسیار کوچک با قطر حدود یک میلیونیم متر، بسیار کوچکتر از قطر ابریشم عنکبوت- ممکن است در ابتدا به نظر نرسد که پارادوکس آب را حل کند، مگر اینکه محیط های شیمیایی بسیار خاصی را که آنها ایجاد می کنند در نظر بگیرید.
ریز قطرات دارای نسبت سطح قابل توجهی به حجم هستند که بزرگتر می شود هر چه قطره کوچکتر باشد. این بدان معنی است که فضای قابل توجهی وجود دارد که در آن حلالی که آنها از آن ساخته شده اند (در این مورد آب) و محیطی که آنها را احاطه کرده است (در این مورد، هوا) به هم می رسند.
در طول سال ها، محققان نشان داده اند که رابط هوا و آب یک محیط شیمیایی منحصر به فرد است. شیمی این رابط های ریز قطره تحت سلطه است میدان های الکتریکی بزرگ, حل جزئی جایی که مولکول ها تا حدی توسط آب احاطه شده اند، مولکول های بسیار واکنشیو اسیدیته بسیار بالا. همه این عوامل به ریز قطرات اجازه می دهد تا واکنش های شیمیایی را که در آنها اتفاق می افتد تسریع کنند.
آزمایشگاه ما در حال مطالعه ریز قطرات برای یک دههو کار قبلی ما نشان داده است که چگونه می توان سرعت واکنش های شیمیایی رایج را تا a افزایش داد میلیون بار در ریز قطرات سریعتر است. واکنش‌هایی که یک روز کامل طول می‌کشید، اکنون می‌توانند تنها در کسری از ثانیه با استفاده از این قطرات کوچک کامل شوند.
In کار اخیر ما، ما پیشنهاد کردیم که ریز قطرات می توانند راه حلی برای پارادوکس آب باشند زیرا رابط هوا و آب آنها نه تنها واکنش ها را تسریع می کند بلکه به عنوان یک "سطح خشک کننده" عمل می کند که واکنش های مورد نیاز برای ایجاد مولکول های زیستی را با وجود وجود آب تسهیل می کند.
ما این نظریه را با پاشیدن اسیدهای آمینه محلول در ریز قطرات آب به سمت a آزمایش کردیم طیف سنج جرمی، ابزاری است که می تواند برای تجزیه و تحلیل محصولات یک واکنش شیمیایی استفاده شود. ما دریافتیم که دو اسید آمینه می توانند با موفقیت در حضور آب از طریق ریز قطرات به یکدیگر بپیوندند. هنگامی که ما اسیدهای آمینه بیشتری اضافه کردیم و دو اسپری از این مخلوط را با هم برخورد کردیم، با تقلید از امواج متلاشی کننده در دنیای پری بیوتیک، متوجه شدیم که این می تواند زنجیره های پپتیدی کوتاه تا شش اسید آمینه را تشکیل دهد.
یافته‌های ما نشان می‌دهد که ریزقطره‌های آب در محیط‌هایی مانند اسپری دریا یا آئروسل‌های جوی، ریزراکتورهای اساسی در زمین اولیه بودند. به عبارت دیگر، ریز قطرات ممکن است یک محیط شیمیایی فراهم کرده باشند که به مولکول های اساسی حیات اجازه می دهد از ترکیبات ساده و کوچک حل شده در اقیانوس وسیع اولیه که سیاره را پوشانده است، تشکیل شوند.
ریز قطرات گذشته و آینده
شیمی ریز قطرات ممکن است در مقابله با چالش های فعلی در بسیاری از زمینه های علمی مفید باشد.
برای مثال، کشف دارو مستلزم سنتز و آزمایش صدها هزار ترکیب برای یافتن یک داروی جدید بالقوه است. قدرت واکنش‌های ریز قطره را می‌توان با اتوماسیون و ابزارهای جدید ادغام کرد تا سرعت سنتز را افزایش دهد. بیش از یک واکنش در ثانیه همچنین تجزیه و تحلیل بیولوژیکی کمتر از یک ثانیه در هر نمونه.
به این ترتیب، همان پدیده ای که ممکن بود میلیاردها سال پیش به پیدایش اجزای سازنده حیات کمک کرده باشد، اکنون می تواند به دانشمندان کمک کند تا داروها و مواد جدید را سریعتر و کارآمدتر توسعه دهند.
شاید JRR تالکین درست بود که نوشت: «اغلب کارهایی که چرخ‌های دنیا را به حرکت در می‌آورند چنین است: دست‌های کوچک آنها را انجام می‌دهند، زیرا باید انجام دهند، در حالی که چشم بزرگان جای دیگری است.»
من معتقدم اهمیت این قطرات کوچک بسیار بزرگتر از اندازه کوچک آنهاست.
این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.
