Si tratta di un paradosso: La vita ha bisogno di acqua per sopravvivere, ma un mondo pieno d'acqua non può generare le biomolecole che sarebbero state essenziali per i primi anni di vita. O almeno così pensavano i ricercatori.
L'acqua è ovunque. La maggior parte del corpo umano ne è fatto, gran parte del pianeta Terra è coperto da esso e gli esseri umani non possono sopravvivere più di un paio di giorni senza berlo. Le molecole d'acqua hanno principali caratteristiche. che consentono loro di dissolversi e trasportare composti attraverso il tuo corpo, fornire struttura alle tue cellule e regolare la tua temperatura. Infatti, le reazioni chimiche di base che rendono possibile la vita come la conosciamo richiedono acqua, fotosintesi essere un esempio.
Tuttavia, quando le prime biomolecole come proteine e DNA hanno iniziato a unirsi nelle prime fasi del pianeta Terra, l'acqua era in realtà una barriera alla vita.
Il motivo è sorprendentemente semplice: la presenza di acqua impedisce ai composti chimici di perdere acqua. Prendi, ad esempio, le proteine, che sono una delle principali classi di molecole biologiche che compongono il tuo corpo. Le proteine sono, in sostanza, catene di amminoacidi legate tra loro da legami chimici. Questi legami si formano attraverso a reazione di condensazione che provoca la perdita di una molecola d'acqua. In sostanza, gli amminoacidi devono essere "secchi" per formare una proteina.
Considerando che la Terra prima che esistesse la vita coperto d'acqua, questo era un grande problema per rendere le proteine essenziali alla vita. Come cercare di asciugarsi all'interno di una piscina, due amminoacidi avrebbero avuto difficoltà a perdere acqua per riunirsi nella zuppa primordiale della Terra primordiale. E non sono state solo le proteine ad affrontare questo problema in presenza di acqua: anche altre biomolecole essenziali per la vita, tra cui il DNA e gli zuccheri complessi, dipendono anche dalle reazioni di condensazione e dalla perdita di acqua per formarsi.
Nel corso degli anni, i ricercatori hanno proposto molte soluzioni a questo "paradosso dell'acqua". La maggior parte di loro si basa su scenari molto specifici sulla Terra primordiale che avrebbero potuto consentire la rimozione dell'acqua. Questi includono pozzanghere di essiccazione, superfici minerali, terme ed prese d'aria idrotermiche, tra gli altri. Queste soluzioni, sebbene plausibili, richiedono condizioni geologiche e chimiche particolari che potrebbero non essere state banali.
Nei nostri recente studio, i miei colleghi e io ha trovato una soluzione più semplice e generale al paradosso dell'acqua. Ironia della sorte, potrebbe essere l'acqua stessa, o per essere più precisi, gocce d'acqua molto piccole che hanno permesso la formazione delle prime biomolecole.
Perché le microgocce?
Le goccioline d'acqua sono ovunque, sia nel mondo moderno che soprattutto durante la Terra prebiotica (o pre-vita). In un pianeta coperto da onde che si infrangono e maree impetuose, le piccole goccioline d'acqua entrano spruzzi marini e altri aerosol avrebbe plausibilmente fornito un luogo semplice e abbondante per il prime biomolecole da assemblare.
Microgocce d'acqua: goccioline in genere molto piccole con diametri circa un milionesimo di metro, molto più piccolo del diametro della seta di ragnoAll'inizio potrebbe non sembrare che risolva il paradosso dell'acqua, finché non si considerano gli ambienti chimici molto particolari che creano.
Le microgoccioline hanno un sostanziale rapporto superficie-volume che diventa grande quanto più piccola è la goccia. Ciò significa che esiste uno spazio significativo in cui si incontrano il solvente di cui sono fatti (in questo caso, l'acqua) e il mezzo da cui sono circondati (in questo caso, l'aria).
Nel corso degli anni, i ricercatori hanno dimostrato che l'interfaccia aria-acqua è un ambiente chimico unico. La chimica di queste interfacce di microgoccioline è dominata da grandi campi elettrici, risoluzione parziale dove le molecole sono parzialmente circondate dall'acqua, molecole altamente reattivee acidità molto alta. Tutti questi fattori consentono alle microgoccioline di accelerare le reazioni chimiche che si verificano in esse.
Il nostro laboratorio ha studiato le microgoccioline per a decennioe il nostro lavoro precedente ha mostrato come la velocità delle reazioni chimiche comuni può essere accelerata fino a a milioni di volte più veloce nelle microgocce. Le reazioni che avrebbero richiesto un'intera giornata potrebbero ora essere completate in una frazione di secondo utilizzando queste piccole goccioline.
In il nostro lavoro recente, abbiamo proposto che le microgoccioline potrebbero essere una soluzione al paradosso dell'acqua perché la loro interfaccia aria-acqua non solo accelera le reazioni ma funge anche da "superficie di asciugatura" che facilita le reazioni necessarie per creare biomolecole nonostante la presenza di acqua.
Abbiamo testato questa teoria spruzzando amminoacidi disciolti in microgocce d'acqua verso a spettrometro di massa, uno strumento che può essere utilizzato per analizzare i prodotti di una reazione chimica. Abbiamo scoperto che due amminoacidi possono unirsi con successo in presenza di acqua tramite microgoccioline. Quando abbiamo aggiunto più aminoacidi e fatto scontrare due spruzzi di questa miscela insieme, imitando le onde che si infrangono nel mondo dei prebiotici, abbiamo scoperto che questo può formare brevi catene peptidiche fino a sei amminoacidi.
I nostri risultati suggeriscono che le microgoccioline d'acqua in ambienti come gli spruzzi marini o gli aerosol atmosferici erano microreattori fondamentali nella Terra primordiale. In altre parole, le microgoccioline potrebbero aver fornito un mezzo chimico che ha permesso alle molecole di base della vita di formarsi dai semplici, piccoli composti disciolti nel vasto oceano primordiale che copriva il pianeta.
Passato e futuro delle microgocce
La chimica delle microgoccioline potrebbe essere utile per affrontare le sfide attuali in molti campi scientifici.
La scoperta di farmaci, ad esempio, richiede la sintesi e il test di centinaia di migliaia di composti per trovare un potenziale nuovo farmaco. La potenza delle reazioni delle microgoccioline può essere integrata con l'automazione e nuovi strumenti per accelerare i tassi di sintesi più di una reazione al secondo così come analisi biologica a meno di un secondo per campione.
In questo modo, lo stesso fenomeno che avrebbe potuto aiutare l'origine dei mattoni della vita miliardi di anni fa può ora aiutare gli scienziati a sviluppare nuovi farmaci e materiali in modo più rapido ed efficiente.
Forse JRR Tolkien aveva ragione quando scriveva: «Tale è il corso delle opere che muovono le ruote del mondo: le piccole mani le fanno perché devono, mentre gli occhi dei grandi sono altrove».
Credo che l'importanza di queste piccole goccioline sia molto più grande delle loro minuscole dimensioni.
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.
