Ez egy paradoxon: Az életnek vízre van szüksége a túléléshez, de a vízzel teli világ nem tudja előállítani azokat a biomolekulákat, amelyek nélkülözhetetlenek lettek volna a korai élethez. Legalábbis a kutatók így gondolták.
Víz mindenhol van. Az emberi test nagy része abból készült, a Föld bolygó nagy része lefedi, és az emberek nem élhetnek tovább, mint a pár napig ivás nélkül. A vízmolekulák rendelkeznek egyedi jellemzők amelyek lehetővé teszik számukra a vegyületek feloldását és szállítását a testen keresztül, szerkezetet biztosítanak sejtjei számára, és szabályozzák a hőmérsékletet. Valójában az általunk ismert életet lehetővé tevő alapvető kémiai reakciókhoz vízre van szükség, fotoszintézis lévén az egyik példa.
Amikor azonban az első biomolekulák, például a fehérjék és a DNS elkezdtek összeállni a Föld bolygó korai szakaszában, a víz valójában gátat szabott az életnek.
Az ok meglepően egyszerű: A víz jelenléte megakadályozza, hogy a kémiai vegyületek vizet veszítsenek. Vegyük például a fehérjéket, amelyek a szervezetet alkotó biológiai molekulák egyik fő osztályát alkotják. A fehérjék lényegében aminosavláncok, amelyeket kémiai kötések kötnek össze. Ezek a kötések a kondenzációs reakció ami egy vízmolekula elvesztését eredményezi. Lényegében az aminosavaknak „száraznak” kell lenniük ahhoz, hogy fehérjét képezzenek.
Figyelembe véve, hogy a Föld az élet előtt volt víz borította, ez volt a nagy probléma az élethez nélkülözhetetlen fehérjék előállításához. Mint amikor egy uszodában próbáltunk megszáradni, két aminosav nehezen veszítette volna el a vizet, hogy összeérjen az úszómedencében. ősleves a korai Földről. És nem csak a fehérjék szembesültek ezzel a problémával víz jelenlétében: más, az élethez nélkülözhetetlen biomolekulák, beleértve a DNS-t és a komplex cukrokat, szintén kondenzációs reakciókra és vízvesztésre támaszkodnak.
Az évek során a kutatók számos megoldást javasoltak erre a „víz paradoxonra”. Legtöbbjük nagyon konkrét forgatókönyvekre támaszkodik a korai Földön, amelyek lehetővé tehették volna a víz eltávolítását. Ezek tartalmazzák száradó tócsák, ásványi felületek, Hot Springs és a hidrotermikus szellőzőnyílások, többek között. Ezek a megoldások, bár elfogadhatók, különleges geológiai és kémiai feltételeket igényelnek, amelyek talán nem voltak mindennaposak.
A mi nemrégiben készült tanulmány, a kollégáim és én egyszerűbb és általánosabb megoldást talált a víz paradoxonra. Egészen ironikus módon lehet, hogy maga a víz – vagy pontosabban, nagyon kis vízcseppek – tette lehetővé a korai biomolekulák kialakulását.
Miért a mikrocseppek?
A vízcseppek mindenhol jelen vannak, mind a modern világban, mind különösen a prebiotikus (vagy élet előtti) Földön. A becsapódó hullámokkal és tomboló árapályokkal borított bolygón a kis vízcseppek bejutnak tengeri spray és egyéb aeroszolok hihetően egyszerű és bőséges helyet biztosított volna a Az első biomolekulák összeállnak.
Víz mikrocseppek – jellemzően nagyon kicsi, átmérőjű cseppek a méter milliomod része körül, sokkal kisebb, mint a pókselyem átmérője– először úgy tűnik, hogy nem oldja meg a víz paradoxonját, amíg nem veszi figyelembe az általuk létrehozott kémiai környezetet.
A mikrocseppeknek jelentős felület-térfogat arányuk van annál nagyobb lesz, minél kisebb a csepp. Ez azt jelenti, hogy van egy jelentős tér, ahol az oldószer (jelen esetben víz) és a körülöttük lévő közeg (jelen esetben levegő) találkozik.
Az évek során a kutatók kimutatták, hogy a levegő-víz határfelület egyedülálló kémiai környezet. Ezeknek a mikrocsepp-interfészeknek a kémiája dominál nagy elektromos mezők, részleges megoldás ahol a molekulákat részben víz veszi körül, erősen reaktív molekulákés nagyon magas savtartalom. Mindezek a tényezők lehetővé teszik a mikrocseppek számára, hogy felgyorsítsák a bennük előforduló kémiai reakciókat.
A laborunk a mikrocseppeket tanulmányozta a évtized, és korábbi munkáink megmutatták, hogyan lehet a gyakori kémiai reakciók sebességét felgyorsítani a milliószor mikrocseppekben gyorsabb. Azok a reakciók, amelyek egy teljes napot vettek volna igénybe, most a másodperc töredéke alatt befejeződhetnének ezeknek a kis cseppeknek a segítségével.
In legutóbbi munkánk, azt javasoltuk, hogy a mikrocseppek megoldást jelenthessenek a víz paradoxonra, mivel levegő-víz határfelületük nemcsak felgyorsítja a reakciókat, hanem „száradó felületként” is működik, amely a víz jelenléte ellenére is megkönnyíti a biomolekulák létrehozásához szükséges reakciókat.
Ezt az elméletet úgy teszteltük, hogy mikrocseppekben oldott aminosavakat permeteztünk a felé tömeg-spektrométer, egy kémiai reakció termékeinek elemzésére használható műszer. Azt találtuk, hogy két aminosav sikeresen kapcsolódhat egymáshoz víz jelenlétében mikrocseppeken keresztül. Amikor több aminosavat adtunk hozzá, és összeütköztünk ebből a keverékből két permetet, utánozva a prebiotikus világ összeomló hullámait, azt találtuk, hogy ez akár hat aminosavból álló rövid peptidláncokat is képezhet.
Eredményeink arra utalnak, hogy a víz mikrocseppjei olyan környezetben, mint a tengeri permet vagy a légköri aeroszolok alapvető mikroreaktorok voltak a Föld korai szakaszában. Más szavakkal, a mikrocseppek olyan kémiai közeget biztosíthattak, amely lehetővé tette az élet alapvető molekuláinak kialakulását a bolygót borító hatalmas ősóceánban oldott egyszerű, kisméretű vegyületekből.
Mikrocseppek múlt és jövő
A mikrocseppek kémiája számos tudományterületen hasznos lehet a jelenlegi kihívások kezelésében.
A kábítószer felfedezéséhez például több százezer vegyület szintézisére és tesztelésére van szükség, hogy potenciális új gyógyszert találjanak. A mikrocseppreakciók ereje integrálható automatizálással és új eszközökkel a szintézis sebességének felgyorsítása érdekében. több mint egy reakció másodpercenként szintén biológiai elemzés mintánként egy másodpercnél kevesebbre.
Ily módon ugyanaz a jelenség, amely évmilliárdokkal ezelőtt elősegíthette az élet építőköveinek keletkezését, most segíthet a tudósoknak új gyógyszerek és anyagok gyorsabb és hatékonyabb kifejlesztésében.
Talán JRR Tolkien igaza volt, amikor ezt írta: „Gyakran így járnak a tettek, amelyek mozgatják a világ kerekeit: a kis kezek megteszik, mert muszáj, míg a nagyok szeme máshol van.”
Úgy gondolom, hogy ezeknek a kis cseppeknek a jelentősége sokkal nagyobb, mint apró méretük.
Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.
