Het is een paradox: Het leven heeft water nodig om te overleven, maar een wereld vol water kan niet de biomoleculen genereren die essentieel zouden zijn geweest voor het vroege leven. Althans, dat dachten onderzoekers.
Water is overal. Het grootste deel van het menselijk lichaam is er van gemaakt, een groot deel van planeet Aarde wordt erdoor bedekt, en mensen kunnen niet meer overleven dan een paar dagen niet gedronken. Watermoleculen hebben unieke karaktereigenschappen waardoor ze verbindingen door je lichaam kunnen oplossen en transporteren, structuur aan je cellen geven en je temperatuur regelen. In feite hebben de chemische basisreacties die het leven mogelijk maken zoals we het kennen water nodig, fotosynthese een voorbeeld zijn.
Toen de eerste biomoleculen zoals eiwitten en DNA echter in de vroege stadia van planeet Aarde samenkwamen, vormde water eigenlijk een barrière voor het leven.
De reden waarom is verrassend eenvoudig: de aanwezigheid van water voorkomt dat chemische verbindingen water verliezen. Neem bijvoorbeeld eiwitten, die een van de belangrijkste klassen van biologische moleculen zijn waaruit je lichaam bestaat. Eiwitten zijn in wezen ketens van aminozuren die met elkaar zijn verbonden door chemische bindingen. Deze bindingen worden gevormd door a condensatie reactie dat resulteert in het verlies van een molecuul water. In wezen moeten de aminozuren "droog" worden om een eiwit te vormen.
Gezien het feit dat de aarde vóór het leven was bedekt met water, dit was een groot probleem voor het maken van de eiwitten die essentieel zijn voor het leven. Net als proberen droog te worden in een zwembad, zouden twee aminozuren moeite hebben gehad om water te verliezen om samen te komen in de oersoep van de vroege aarde. En het waren niet alleen eiwitten die met dit probleem te maken kregen in de aanwezigheid van water: andere biomoleculen die essentieel zijn voor het leven, waaronder DNA en complexe suikers, zijn ook afhankelijk van condensatiereacties en het verliezen van water om zich te vormen.
In de loop der jaren hebben onderzoekers veel oplossingen voorgesteld voor deze 'waterparadox'. De meesten van hen vertrouwen op zeer specifieke scenario's op de vroege aarde die het mogelijk hebben gemaakt om water te verwijderen. Waaronder plassen drogen, minerale oppervlakken, Hot Springs en warmwaterkraters, onder andere. Deze oplossingen, hoewel plausibel, vereisen specifieke geologische en chemische omstandigheden die misschien niet alledaags waren.
In onze recente studie, mijn collega's en ik vond een eenvoudigere en meer algemene oplossing voor de waterparadox. Ironisch genoeg zou het water zelf kunnen zijn - of om preciezer te zijn, zeer kleine waterdruppeltjes - waardoor vroege biomoleculen konden worden gevormd.
Waarom microdruppels?
Waterdruppels zijn overal, zowel in de moderne wereld als vooral tijdens de prebiotische (of pre-life) aarde. Op een planeet die wordt bedekt door beukende golven en woeste getijden, vallen de kleine waterdruppels in zeespray en andere spuitbussen zou waarschijnlijk een eenvoudige en overvloedige plaats hebben geboden voor de eerste biomoleculen om te assembleren.
Watermicrodruppels - meestal zeer kleine druppeltjes met een diameter ongeveer een miljoenste van een meter, veel kleiner dan de diameter van spinzijde- lijkt de waterparadox in eerste instantie misschien niet op te lossen, totdat je kijkt naar de zeer specifieke chemische omgevingen die ze creëren.
Microdruppels hebben een aanzienlijke oppervlakte-tot-volumeverhouding die: wordt groter naarmate de druppel kleiner is. Dit betekent dat er een aanzienlijke ruimte is waar het oplosmiddel waaruit ze zijn gemaakt (in dit geval water) en het medium waardoor ze zijn omgeven (in dit geval lucht) elkaar ontmoeten.
In de loop der jaren hebben onderzoekers aangetoond dat het lucht-water-interface een unieke chemische omgeving is. De chemie van deze microdruppelinterfaces wordt gedomineerd door: grote elektrische velden, gedeeltelijke solvatie waar moleculen gedeeltelijk omgeven zijn door water, zeer reactieve moleculen en zeer hoge zuurgraad. Al deze factoren zorgen ervoor dat microdruppels de chemische reacties die erin plaatsvinden, versnellen.
Ons lab bestudeert al een tijdje microdruppeltjes decennium, en ons eerdere werk heeft laten zien hoe de snelheid van veelvoorkomende chemische reacties kan worden versneld tot a Miljoen keer sneller in microdruppeltjes. Reacties die een hele dag zouden hebben geduurd, kunnen nu met deze kleine druppeltjes in slechts een fractie van een seconde worden voltooid.
In ons recente werk, stelden we voor dat microdruppels een oplossing zouden kunnen zijn voor de waterparadox omdat hun lucht-water-interface niet alleen reacties versnelt, maar ook fungeert als een "drogend oppervlak" dat de reacties vergemakkelijkt die nodig zijn om biomoleculen te maken ondanks de aanwezigheid van water.
We hebben deze theorie getest door aminozuren opgelost in microdruppeltjes water naar a . te sproeien massaspectrometer, een instrument dat kan worden gebruikt om de producten van een chemische reactie te analyseren. We ontdekten dat twee aminozuren met succes samen kunnen komen in de aanwezigheid van water via microdruppeltjes. Toen we meer aminozuren toevoegden en twee verstuivingen van dit mengsel met elkaar botsten, waarbij we de golven in de prebiotische wereld nabootsten, ontdekten we dat dit korte peptideketens van maximaal zes aminozuren kan vormen.
Onze bevindingen suggereren dat watermicrodruppeltjes in omgevingen zoals zeespray of atmosferische aerosolen fundamentele microreactoren waren in de vroege aarde. Met andere woorden, microdruppeltjes hebben mogelijk gezorgd voor een chemisch medium waardoor de basismoleculen van het leven konden worden gevormd uit de eenvoudige, kleine verbindingen die waren opgelost in de uitgestrekte oeroceaan die de planeet bedekte.
Microdruppels verleden en toekomst
De chemie van microdruppeltjes kan nuttig zijn bij het aanpakken van de huidige uitdagingen op veel wetenschappelijke gebieden.
Voor het ontdekken van medicijnen zijn bijvoorbeeld het synthetiseren en testen van honderdduizenden verbindingen nodig om een potentieel nieuw medicijn te vinden. De kracht van microdruppelreacties kan worden geïntegreerd met automatisering en nieuwe tools om de synthesesnelheid te verhogen tot meer dan één reactie per seconde net zoals biologische analyse tot minder dan een seconde per monster.
Op deze manier kan hetzelfde fenomeen dat miljarden jaren geleden mogelijk heeft bijgedragen aan het ontstaan van de bouwstenen van het leven wetenschappers nu helpen om sneller en efficiënter nieuwe medicijnen en materialen te ontwikkelen.
Misschien JRR Tolkien had gelijk toen hij schreef: "Zo gaat het vaak met daden die de wielen van de wereld in beweging brengen: kleine handen doen ze omdat het moet, terwijl de ogen van de groten ergens anders zijn."
Ik geloof dat het belang van deze kleine druppeltjes veel groter is dan hun kleine formaat.
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
