זה פרדוקס: החיים זקוקים למים כדי לשרוד, אבל עולם מלא במים לא יכול לייצר את הביו-מולקולות שהיו חיוניות לחיים המוקדמים. או כך לפחות חשבו החוקרים.
מים נמצאים בכל מקום. רוב גוף האדם עשוי מזה, רוב כדור הארץ מכוסה על ידי זה, ובני אדם לא יכולים לשרוד יותר מא כמה ימים בלי לשתות את זה. למולקולות מים יש מאפיינים ייחודיים המאפשרים להם להתמוסס ולהעביר תרכובות דרך הגוף שלך, לספק מבנה לתאים שלך ולווסת את הטמפרטורה שלך. למעשה, התגובות הכימיות הבסיסיות המאפשרות חיים כפי שאנו מכירים אותם דורשות מים, פוטוסינתזה להיות דוגמה אחת.
עם זאת, כאשר הביו-מולקולות הראשונות כמו חלבונים ודנ"א החלו להתאחד בשלבים המוקדמים של כדור הארץ, המים היו למעשה מחסום לחיים.
הסיבה לכך פשוטה באופן מפתיע: נוכחותם של מים מונעת מתרכובות כימיות לאבד מים. קח, למשל, חלבונים, שהם אחד הקבוצות העיקריות של מולקולות ביולוגיות המרכיבות את הגוף שלך. חלבונים הם, בעצם, שרשראות של חומצות אמינו המקושרות ביניהן על ידי קשרים כימיים. קשרים אלו נוצרים באמצעות א תגובת דחיסה מה שגורם לאובדן מולקולת מים. בעיקרו של דבר, חומצות האמינו צריכות להתייבש כדי ליצור חלבון.
בהתחשב בכך שכדור הארץ לפני החיים היה מכוסה במים, זה היה א בעיה גדולה להפיכת החלבונים לחיוניים לחיים. כמו לנסות להתייבש בתוך בריכת שחייה, שתי חומצות אמינו היו מתקשות לאבד מים כדי להתאחד ב מרק קדמון של כדור הארץ הקדום. ולא רק חלבונים התמודדו עם בעיה זו בנוכחות מים: ביומולקולות אחרות החיוניות לחיים, כולל DNA וסוכרים מורכבים, מסתמכות גם על תגובות עיבוי ואיבוד מים להיווצרות.
במהלך השנים, חוקרים הציעו פתרונות רבים ל"פרדוקס המים" הזה. רובם מסתמכים על תרחישים מאוד ספציפיים על כדור הארץ הקדום שיכלו לאפשר פינוי מים. אלו כוללים ייבוש שלוליות, משטחים מינרליים, מעיינות חמים ו פתחי הידרותרמיות, בין היתר. פתרונות אלה, למרות שהם סבירים, דורשים תנאים גיאולוגיים וכימיים מסוימים שאולי לא היו רגילים.
בשלנו מחקר שנערך לאחרונה, עמיתיי לעבודה ואני מצאו פתרון פשוט וכללי יותר לפרדוקס המים. באופן אירוני למדי, ייתכן שהמים עצמם - או ליתר דיוק, טיפות מים קטנות מאוד - שאפשרו לביו-מולקולות מוקדמות להיווצר.
למה מיקרוטיפות?
טיפות מים נמצאות בכל מקום, הן בעולם המודרני ובמיוחד במהלך כדור הארץ הפרה-ביוטי (או טרום החיים). בכוכב לכת המכוסה בגלים מתנפצים ובגאות ושפל, טיפות המים הקטנות צונחות פנימה תרסיס ים ואירוסולים אחרים באופן סביר היה מספק מקום פשוט ושופע עבור הביומולקולות הראשונות להרכיב.
מיקרוטיפות מים - טיפות קטנות מאוד בקטרים בסביבות מיליונית המטר, קטן בהרבה מה- קוטר של משי עכביש- אולי לא יפתור בהתחלה את פרדוקס המים, עד שתשקול את הסביבות הכימיות המסוימות מאוד שהם יוצרים.
למיקרו-טיפות יש יחס משמעותי של שטח פנים לנפח גדל ככל שהטיפה קטנה יותר. המשמעות היא שישנו חלל משמעותי שבו נפגשים הממס שממנו הם עשויים (במקרה זה מים) והמדיום שהם מוקפים בו (במקרה זה אוויר).
במהלך השנים, חוקרים הראו כי ממשק אוויר-מים הוא סביבה כימית ייחודית. הכימיה של ממשקי המיקרו-טיפות הללו נשלטת על ידי שדות חשמליים גדולים, פתרון חלקי שבו מולקולות מוקפות חלקית במים, מולקולות תגובתי מאוד, ו חומציות גבוהה מאוד. כל הגורמים הללו מאפשרים לטיפות להאיץ את התגובות הכימיות המתרחשות בהן.
המעבדה שלנו לומד מיקרוטיפות במשך א עָשׂוֹר, והעבודה הקודמת שלנו הראתה כיצד ניתן להאיץ את קצב התגובות הכימיות הנפוצות ל- a מיליון פעמים מהיר יותר במיקרוטיפות. תגובות שהיו נמשכות יום שלם יכולות כעת להסתיים בשבריר שנייה בלבד באמצעות הטיפות הקטנות הללו.
In העבודה האחרונה שלנו, הצענו שמיקרוטיפות יכולות להוות פתרון לפרדוקס המים מכיוון שממשק האוויר-מים שלהן לא רק מאיץ תגובות אלא גם פועל כ"משטח ייבוש" שמקל על התגובות הדרושות ליצירת ביומולקולות למרות נוכחות המים.
בדקנו תיאוריה זו על ידי ריסוס חומצות אמינו המומסות במיקרו טיפות מים לעבר ספקטרומטר מסה, מכשיר שניתן להשתמש בו כדי לנתח תוצרים של תגובה כימית. מצאנו ששתי חומצות אמינו יכולות להצטרף בהצלחה בנוכחות מים באמצעות מיקרוטיפות. כשהוספנו עוד חומצות אמינו והתנגשנו בשני תרסיסים של תערובת זו יחד, תוך חיקוי גלים מתרסקים בעולם הפרה-ביוטי, מצאנו שזה יכול ליצור שרשראות פפטידים קצרות של עד שש חומצות אמינו.
הממצאים שלנו מצביעים על כך שמיקרו-טיפות מים במסגרות כמו תרסיס ים או אירוסולים אטמוספריים היו מיקרו-כורים בסיסיים בתחילת כדור הארץ. במילים אחרות, ייתכן שמיקרוטיפות סיפקו תווך כימי שאפשר למולקולות הבסיסיות של החיים להיווצר מהתרכובות הפשוטות והקטנות המומסות באוקיינוס הקדמון העצום שכיסה את כדור הארץ.
מיקרוטיפות עבר ועתיד
הכימיה של מיקרוטיפות עשויה להיות מועילה בהתמודדות עם אתגרים עכשוויים בתחומים מדעיים רבים.
גילוי תרופות, למשל, דורש סינתזה ובדיקה של מאות אלפי תרכובות כדי למצוא תרופה חדשה פוטנציאלית. ניתן לשלב את העוצמה של תגובות מיקרו-טיפות עם אוטומציה וכלים חדשים כדי להאיץ את קצבי הסינתזה יותר מתגובה אחת בשנייה כמו גם ניתוח ביולוגי עד פחות משנייה לדגימה.
בדרך זו, אותה תופעה שאולי הייתה מסייעת למקורם של אבני הבניין של החיים לפני מיליארדי שנים יכולה כעת לעזור למדענים לפתח תרופות וחומרים חדשים במהירות וביעילות רבה יותר.
אוּלַי ג'יי.אר טולקין צדק כשכתב: "ככה הוא לעתים קרובות מהלך המעשים המניעים את גלגלי העולם: ידיים קטנות עושות אותן כי הן חייבות, בעוד שעיני הגדולים נמצאות במקום אחר."
אני מאמין שחשיבותן של הטיפות הקטנות הללו גדולה בהרבה מגודלן הזעיר.
מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.
