Se on paradoksi: Elämä tarvitsee vettä selviytyäkseen, mutta vettä täynnä oleva maailma ei voi tuottaa biomolekyylejä, jotka olisivat olleet välttämättömiä varhaiselle elämälle. Tai niin tutkijat ajattelivat.
Vettä on kaikkialla. Suurin osa ihmiskehosta on tehty siitä, suurelta osin maaplaneetta on sen peitossa, ja ihmiset eivät voi selviytyä enempää kuin a pari päivää juomatta. Vesimolekyyleillä on ainutlaatuisia ominaisuuksia joiden avulla ne liukenevat ja kuljettavat yhdisteitä kehosi läpi, tarjoavat soluille rakennetta ja säätelevät lämpötilaa. Itse asiassa kemialliset perusreaktiot, jotka mahdollistavat tuntemamme elämän, vaativat vettä, fotosynteesi on yksi esimerkki.
Kuitenkin, kun ensimmäiset biomolekyylit, kuten proteiinit ja DNA, alkoivat yhdistyä maaplaneetan varhaisissa vaiheissa, vesi oli itse asiassa este elämälle.
Syy siihen on yllättävän yksinkertainen: Veden läsnäolo estää kemiallisia yhdisteitä menettämästä vettä. Otetaan esimerkiksi proteiinit, jotka ovat yksi tärkeimmistä biologisten molekyylien luokista, jotka muodostavat kehosi. Proteiinit ovat pohjimmiltaan aminohappoketjuja, jotka on liitetty toisiinsa kemiallisilla sidoksilla. Nämä sidokset muodostuvat a kondensaatioreaktio mikä johtaa vesimolekyylin häviämiseen. Pohjimmiltaan aminohappojen täytyy "kuivua" proteiinin muodostamiseksi.
Ottaen huomioon, että maapallo oli ennen elämää veden peitossa, tämä oli a iso ongelma tehdä elämälle välttämättömistä proteiineista. Aivan kuin yrittäisi kuivua uima-altaassa, kahden aminohapon olisi ollut vaikea menettää vettä päästäkseen yhteen ikiaikainen keitto varhaisesta maapallosta. Eikä vain proteiinit kohtasivat tätä ongelmaa veden läsnä ollessa: Muut elämälle välttämättömät biomolekyylit, mukaan lukien DNA ja monimutkaiset sokerit, ovat myös riippuvaisia kondensaatioreaktioista ja veden menettämisestä muodostuessaan.
Vuosien mittaan tutkijat ovat ehdottaneet monia ratkaisuja tähän "vesiparadoksiin". Useimmat heistä luottavat hyvin erityisiin varhaisen maan skenaarioihin, jotka olisivat voineet sallia veden poistamisen. Nämä sisältävät lätäköiden kuivaus, mineraalipinnat, kuumia lähteitä ja hydrotermiset tuuletusaukot, muiden joukossa. Vaikka nämä ratkaisut ovatkin uskottavia, ne vaativat erityisiä geologisia ja kemiallisia olosuhteita, jotka eivät ehkä olisi olleet yleisiä.
Meidän Tuoreen tutkimuksen, minun kollegani ja minä löysi yksinkertaisemman ja yleisemmän ratkaisun vesiparadoksiin. Melko ironista kyllä, se saattaa olla vesi itse – tai tarkemmin sanottuna hyvin pienet vesipisarat – mikä mahdollisti varhaisten biomolekyylien muodostumisen.
Miksi mikropisarat?
Vesipisaroita on kaikkialla, sekä nykymaailmassa että erityisesti prebioottisen (tai ennen elämää) maan aikana. Kaatuvien aaltojen ja raivoavien vuorovesien peittämälle planeetalle pienet vesipisarat putoavat sisään merisuihke ja muut aerosolit olisi todennäköisesti tarjonnut yksinkertaisen ja runsaan paikan ensimmäiset biomolekyylit kokoontuvat.
Veden mikropisarat – tyypillisesti halkaisijaltaan hyvin pieniä pisaroita noin metrin miljoonasosa, paljon pienempi kuin hämähäkkisilkin halkaisija– Ei ehkä aluksi näytä ratkaisevan vesiparadoksia, ennen kuin otat huomioon niiden luoman erityisen kemiallisen ympäristön.
Mikropisaroilla on huomattava pinta-alan ja tilavuuden suhde kasvaa mitä pienempi pisara on. Tämä tarkoittaa, että on olemassa merkittävä tila, jossa liuotin, josta ne on valmistettu (tässä tapauksessa vesi) ja väliaine, jolla niitä ympäröi (tässä tapauksessa ilma), kohtaavat.
Vuosien mittaan tutkijat ovat osoittaneet, että ilman ja veden välinen rajapinta on ainutlaatuinen kemiallinen ympäristö. Näiden mikropisaroiden rajapintojen kemiaa hallitsevat suuria sähkökenttiä, osittainen ratkaisu missä molekyylejä ympäröi osittain vesi, erittäin reaktiivisia molekyylejäja erittäin korkea happamuus. Kaikki nämä tekijät antavat mikropisaroiden nopeuttaa niissä tapahtuvia kemiallisia reaktioita.
Meidän lab on tutkinut mikropisaroita a vuosikymmen, ja aikaisempi työmme on osoittanut, kuinka yleisten kemiallisten reaktioiden nopeutta voidaan nopeuttaa a miljoonaa kertaa nopeammin mikropisaroissa. Reaktiot, jotka olisivat kestäneet koko päivän, voivat nyt tapahtua vain sekunnin murto-osassa näitä pieniä pisaroita käyttämällä.
In viimeaikainen työmme, ehdotimme, että mikropisarat voisivat olla ratkaisu vesiparadoksiin, koska niiden ilma-vesi-rajapinta ei vain nopeuttaa reaktioita, vaan toimii myös "kuivaavana pintana", joka helpottaa biomolekyylien luomiseen tarvittavia reaktioita veden läsnäolosta huolimatta.
Testasimme tätä teoriaa suihkuttamalla veden mikropisaroihin liuenneita aminohappoja kohti a massaspektrometri, instrumentti, jota voidaan käyttää analysoimaan kemiallisen reaktion tuotteita. Havaitsimme, että kaksi aminohappoa voivat liittyä onnistuneesti yhteen veden läsnä ollessa mikropisaroiden kautta. Kun lisäsimme lisää aminohappoja ja törmäsimme kaksi tätä seosta olevaa suihketta yhteen jäljitellen kaatuvia aaltoja prebioottisessa maailmassa, havaitsimme, että tämä voi muodostaa lyhyitä, jopa kuuden aminohapon peptidiketjuja.
Tuloksemme viittaavat siihen, että veden mikropisarat sellaisissa olosuhteissa kuin merisuihku tai ilmakehän aerosolit olivat perustavanlaatuisia mikroreaktoreita varhaisessa maapallossa. Toisin sanoen mikropisarat ovat saattaneet tarjota kemiallisen väliaineen, joka mahdollisti elämän perusmolekyylien muodostumisen yksinkertaisista, pienistä yhdisteistä, jotka olivat liuenneet planeetan peittäneeseen valtavaan alkuperäiseen valtamereen.
Mikropisarat menneisyys ja tulevaisuus
Mikropisaroiden kemia voi olla hyödyllinen nykyisten haasteiden ratkaisemisessa monilla tieteenaloilla.
Esimerkiksi huumeiden löytäminen edellyttää satojen tuhansien yhdisteiden syntetisoimista ja testaamista mahdollisen uuden lääkkeen löytämiseksi. Mikropisarareaktioiden teho voidaan integroida automaatioon ja uusiin työkaluihin synteesinopeuksien nopeuttamiseksi. enemmän kuin yksi reaktio sekunnissa sekä biologinen analyysi alle sekuntiin näytettä kohti.
Tällä tavalla sama ilmiö, joka saattoi edistää elämän rakennuspalikoiden syntyä miljardeja vuosia sitten, voi nyt auttaa tutkijoita kehittämään uusia lääkkeitä ja materiaaleja nopeammin ja tehokkaammin.
Ehkä JRR Tolkien oli oikeassa kirjoittaessaan: "Näin tapahtuu usein teoilla, jotka liikuttavat maailman pyöriä: pienet kädet tekevät niitä, koska niiden on pakko, kun taas suurten silmät ovat muualla."
Uskon, että näiden pienten pisaroiden merkitys on paljon suurempi kuin niiden pieni koko.
Tämä artikkeli julkaistaan uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.
