イッツ パラドックス: 生命は生き残るために水を必要としますが、水で満たされた世界では、初期の生命に不可欠であったはずの生体分子を生成できません。 またはそう研究者は考えました。
水はどこにでもあります。 人体のほとんど それでできており、 地球の大部分 それによって覆われており、人間はXNUMX日以上生き残ることができません 飲まずに数日. 水分子は 独自の特徴 化合物を体内に溶解して輸送し、細胞に構造を提供し、体温を調節できるようにします。 実際、私たちが知っているような生命を可能にする基本的な化学反応には、水が必要です。 光合成 一例です。
しかし、タンパク質や DNA などの最初の生体分子が地球の初期段階で結合し始めたとき、水は実際には生命への障壁でした。
その理由は驚くほど単純です。水の存在により、化合物から水分が失われるのを防ぐことができます。 たとえば、体を構成する生体分子の主要なクラスの XNUMX つであるタンパク質を考えてみましょう。 タンパク質は、本質的に、化学結合によって互いに結合されたアミノ酸の鎖です。 これらの結合は、 縮合反応 その結果、水分子が失われます。 基本的に、アミノ酸はタンパク質を形成するために「乾燥」する必要があります.
生命が誕生する前の地球を考えると 水に覆われた、これは 大問題 生命に不可欠なタンパク質を作るために。 スイミング プールの中で体を乾かそうとするように、XNUMX つのアミノ酸が水分を失うのに苦労したことでしょう。 原始的なスープ 初期地球の。 そして、水の存在下でこの問題に直面したのはタンパク質だけではありませんでした.DNAや複雑な糖など、生命に不可欠な他の生体分子も、縮合反応と水分の喪失に依存しています.
長年にわたり、研究者はこの「水のパラドックス」に対して多くの解決策を提案してきました。 それらのほとんどは、水の除去を可能にした初期地球の非常に特殊なシナリオに依存しています。 これらには以下が含まれます 水たまりの乾燥, ミネラル表面, 温泉 & 水熱ベント、とりわけ。 これらの解決策は、もっともらしくはありますが、一般的ではなかったかもしれない特定の地質学的および化学的条件を必要とします。
最近の研究, 私の同僚 そして私 水のパラドックスに対するより単純でより一般的な解決策を見つけました。 皮肉なことに、初期の生体分子の形成を可能にしたのは、水そのもの、またはより正確には、非常に小さな水滴である可能性があります。
なぜマイクロドロップレットなのか?
水滴は、現代の世界でも、特に生前 (または生前) の地球でも、どこにでもあります。 打ち寄せる波と荒れ狂う潮に覆われた惑星では、小さな水滴が 波しぶきやその他のエアロゾル シンプルで豊富な場所を提供しただろう 最初に組み立てる生体分子.
水微小滴 - 通常、直径が非常に小さい水滴 約XNUMX万分のXNUMXメートル、よりもはるかに小さい クモの糸の直径—最初は水のパラドックスを解決できないように見えるかもしれません.
微小液滴には、実質的な表面積と体積の比率があります。 液滴が小さいほど大きくなる. これは、それらを構成する溶媒 (この場合は水) と周囲の媒体 (この場合は空気) が出会う大きな空間があることを意味します。
長年にわたり、研究者は、空気と水の界面が独特の化学環境であることを示してきました。 これらの微小液滴界面の化学は、 大電界, 部分溶媒和 分子が部分的に水に囲まれ、 反応性の高い分子, 酸度が非常に高い. これらすべての要因により、微小液滴はその中で発生する化学反応を加速できます。
私たちの研究室 マイクロドロップレットを研究してきました 十年、そして私たちの以前の研究は、一般的な化学反応の速度をどのように加速できるかを示しました 万回 微小液滴でより速く。 これらの小さな液滴を使用すると、丸一日かかっていたであろう反応がほんの一瞬で完了する可能性があります。
In 私たちの最近の仕事、私たちは、空気と水の界面が反応を加速するだけでなく、水の存在にもかかわらず生体分子を作成するために必要な反応を促進する「乾燥面」としても機能するため、微小液滴が水のパラドックスの解決策になる可能性があることを提案しました。
この理論を、水の微小液滴に溶解したアミノ酸を噴霧することによってテストしました。 質量分析計、化学反応の生成物を分析するために使用できる機器。 水の存在下で、XNUMX つのアミノ酸が微小液滴を介してうまく結合できることがわかりました。 より多くのアミノ酸を追加し、この混合物の XNUMX つのスプレーを一緒に衝突させて、プレバイオティックの世界で砕ける波を模倣すると、これが最大 XNUMX つのアミノ酸の短いペプチド鎖を形成できることがわかりました.
私たちの調査結果は、海のしぶきや大気中のエアロゾルなどの状況での水の微小液滴が、初期の地球の基本的なマイクロリアクターであったことを示唆しています。 言い換えれば、微小液滴は、惑星を覆う広大な原始の海に溶解した単純な小さな化合物から、生命の基本的な分子を形成することを可能にする化学媒体を提供した可能性があります.
微小液滴の過去と未来
微小液滴の化学は、多くの科学分野にわたる現在の課題に取り組むのに役立つ可能性があります。
たとえば、創薬では、潜在的な新薬を見つけるために何十万もの化合物を合成してテストする必要があります。 マイクロドロップレット反応の力は、自動化および新しいツールと統合して、合成速度を高速化し、 毎秒複数の反応 と同様 生物学的分析 サンプルあたり XNUMX 秒未満に。
このようにして、何十億年も前に生命の構成要素の起源を助けた可能性のある同じ現象が、科学者が新しい薬や材料をより迅速かつ効率的に開発するのに役立つようになりました.
おそらく JRRトールキン 彼が次のように書いたのは正しかった。
これらの小さな液滴の重要性は、その小さなサイズよりもはるかに大きいと思います.
