Ini paradoks: Kehidupan membutuhkan air untuk bertahan hidup, tetapi dunia yang penuh air tidak dapat menghasilkan biomolekul yang penting bagi kehidupan awal. Atau begitulah yang dipikirkan para peneliti.
Air ada di mana-mana. Sebagian besar tubuh manusia terbuat dari itu, sebagian besar planet bumi ditutupi olehnya, dan manusia tidak bisa bertahan lebih dari a beberapa hari tanpa meminumnya. Molekul air memiliki karakteristik unik yang memungkinkan mereka untuk melarutkan dan mengangkut senyawa melalui tubuh Anda, memberikan struktur pada sel-sel Anda, dan mengatur suhu Anda. Faktanya, reaksi kimia dasar yang memungkinkan kehidupan seperti yang kita kenal membutuhkan air, fotosintesis menjadi salah satu contoh.
Namun, ketika biomolekul pertama seperti protein dan DNA mulai bersatu pada tahap awal planet Bumi, air sebenarnya merupakan penghalang bagi kehidupan.
Alasan mengapa sangat sederhana: Kehadiran air mencegah senyawa kimia kehilangan air. Ambil contoh, protein, yang merupakan salah satu kelas utama molekul biologis yang membentuk tubuh Anda. Protein pada dasarnya adalah rantai asam amino yang dihubungkan oleh ikatan kimia. Ikatan ini terbentuk melalui reaksi kondensasi yang mengakibatkan hilangnya satu molekul air. Pada dasarnya, asam amino perlu "kering" untuk membentuk protein.
Mengingat bahwa Bumi sebelum kehidupan adalah tertutup air, ini adalah masalah besar untuk membuat protein penting bagi kehidupan. Seperti mencoba mengeringkan di dalam kolam renang, dua asam amino akan mengalami kesulitan kehilangan air untuk bersatu di sup purba dari Bumi awal. Dan bukan hanya protein yang menghadapi masalah ini dengan adanya air: Biomolekul lain yang penting bagi kehidupan, termasuk DNA dan gula kompleks, juga bergantung pada reaksi kondensasi dan kehilangan air untuk dibentuk.
Selama bertahun-tahun, para peneliti telah mengusulkan banyak solusi untuk "paradoks air" ini. Sebagian besar dari mereka bergantung pada skenario yang sangat spesifik di Bumi awal yang memungkinkan pemindahan air. Ini termasuk genangan air kering, permukaan mineral, panas mata air dan ventilasi hidrotermal, diantara yang lain. Solusi ini, meskipun masuk akal, memerlukan kondisi geologis dan kimia tertentu yang mungkin tidak biasa.
Dalam kami Studi terbaru, rekan-rekan saya dan saya menemukan solusi yang lebih sederhana dan lebih umum untuk paradoks air. Cukup ironis, mungkin air itu sendiri—atau lebih tepatnya, tetesan air yang sangat kecil—yang memungkinkan biomolekul awal terbentuk.
Mengapa Mikrodroplet?
Tetesan air ada di mana-mana, baik di dunia modern dan terutama selama Bumi prebiotik (atau pra-kehidupan). Di planet yang tertutup oleh deburan ombak dan gelombang pasang yang mengamuk, tetesan air kecil masuk semprotan laut dan aerosol lainnya akan masuk akal menyediakan tempat yang sederhana dan berlimpah untuk biomolekul pertama yang dirakit.
Mikrodroplet air—biasanya tetesan yang sangat kecil dengan diameter sekitar sepersejuta meter, jauh lebih kecil dari diameter sutra laba-laba—mungkin tampaknya tidak memecahkan paradoks air pada awalnya, sampai Anda mempertimbangkan lingkungan kimia yang sangat khusus yang mereka ciptakan.
Mikrodroplet memiliki rasio luas permukaan terhadap volume yang substansial yang semakin besar semakin kecil tetesannya. Ini berarti ada ruang yang signifikan di mana pelarut mereka dibuat (dalam hal ini, air) dan media yang mengelilinginya (dalam hal ini, udara) bertemu.
Selama bertahun-tahun, para peneliti telah menunjukkan bahwa antarmuka udara-air adalah lingkungan kimia yang unik. Kimia antarmuka mikrodroplet ini didominasi oleh medan listrik besar, penyelesaian parsial dimana molekul sebagian dikelilingi oleh air, molekul yang sangat reaktif, dan keasaman yang sangat tinggi. Semua faktor ini memungkinkan mikrodroplet untuk mempercepat reaksi kimia yang terjadi di dalamnya.
Lab kami telah mempelajari mikrodroplet untuk dasawarsa, dan pekerjaan kami sebelumnya telah menunjukkan bagaimana laju reaksi kimia umum dapat dipercepat hingga juta kali lebih cepat dalam mikrodroplet. Reaksi yang akan memakan waktu sehari penuh sekarang bisa selesai hanya dalam sepersekian detik menggunakan tetesan kecil ini.
In karya terbaru kami, kami mengusulkan bahwa mikrodroplet dapat menjadi solusi untuk paradoks air karena antarmuka udara-airnya tidak hanya mempercepat reaksi tetapi juga bertindak sebagai "permukaan pengeringan" yang memfasilitasi reaksi yang diperlukan untuk membuat biomolekul meskipun ada air.
Kami menguji teori ini dengan menyemprotkan asam amino yang dilarutkan dalam mikrodroplet air ke arah a spektrometer massa, alat yang dapat digunakan untuk menganalisis produk reaksi kimia. Kami menemukan bahwa dua asam amino dapat berhasil bergabung bersama dengan adanya air melalui mikrodroplet. Ketika kami menambahkan lebih banyak asam amino dan mencampurkan dua semprotan campuran ini bersama-sama, meniru gelombang tabrakan di dunia prebiotik, kami menemukan bahwa ini dapat membentuk rantai peptida pendek hingga enam asam amino.
Temuan kami menunjukkan bahwa mikrodroplet air dalam pengaturan seperti semprotan laut atau aerosol atmosfer adalah mikroreaktor mendasar di awal Bumi. Dengan kata lain, mikrodroplet mungkin telah menyediakan media kimia yang memungkinkan molekul dasar kehidupan terbentuk dari senyawa sederhana dan kecil yang terlarut di lautan purba luas yang menutupi planet ini.
Mikrodroplet Masa Lalu dan Masa Depan
Kimia mikrodroplet mungkin membantu dalam mengatasi tantangan saat ini di banyak bidang ilmiah.
Penemuan obat, misalnya, membutuhkan sintesis dan pengujian ratusan ribu senyawa untuk menemukan obat baru yang potensial. Kekuatan reaksi mikrodroplet dapat diintegrasikan dengan otomatisasi dan alat baru untuk mempercepat laju sintesis ke lebih dari satu reaksi per detik dan juga analisis biologis kurang dari satu detik per sampel.
Dengan cara ini, fenomena yang sama yang mungkin telah membantu asal usul blok bangunan kehidupan miliaran tahun yang lalu, sekarang dapat membantu para ilmuwan mengembangkan obat-obatan dan bahan-bahan baru lebih cepat dan lebih efisien.
Mungkin JRR Tolkien benar ketika dia menulis: "Perbuatan seperti itu sering kali menggerakkan roda dunia: tangan-tangan kecil melakukannya karena mereka harus, sementara mata orang-orang besar ada di tempat lain."
Saya percaya pentingnya tetesan kecil ini jauh lebih besar daripada ukurannya yang kecil.
Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.
