Det er en paradox: Livet trenger vann for å overleve, men en verden full av vann kan ikke generere biomolekylene som ville vært avgjørende for tidlig liv. Eller det trodde forskere.
Vann er overalt. Det meste av menneskekroppen er laget av det, store deler av planeten Jorden er dekket av det, og mennesker kan ikke overleve mer enn en et par dager uten å drikke det. Vannmolekyler har unike egenskaper som lar dem løse opp og transportere forbindelser gjennom kroppen din, gi struktur til cellene dine og regulere temperaturen din. Faktisk krever de grunnleggende kjemiske reaksjonene som muliggjør livet slik vi kjenner det vann, fotosyntese være ett eksempel.
Men da de første biomolekylene som proteiner og DNA begynte å komme sammen i de tidlige stadiene av planeten Jorden, var vann faktisk en barriere for liv.
Grunnen er overraskende enkel: Tilstedeværelsen av vann hindrer kjemiske forbindelser i å miste vann. Ta for eksempel proteiner, som er en av hovedklassene av biologiske molekyler som utgjør kroppen din. Proteiner er i hovedsak kjeder av aminosyrer koblet sammen med kjemiske bindinger. Disse bindingene dannes gjennom en kondensasjonsreaksjon som resulterer i tap av et vannmolekyl. I hovedsak må aminosyrene bli "tørre" for å danne et protein.
Tatt i betraktning at jorden før livet var dekket av vann, dette var en stort problem for å gjøre proteinene essensielle for livet. Som å prøve å bli tørr inne i et svømmebasseng, ville to aminosyrer hatt vanskelig for å miste vann for å komme sammen i ursuppe av tidlig jord. Og det var ikke bare proteiner som møtte dette problemet i nærvær av vann: Andre biomolekyler som er essensielle for livet, inkludert DNA og komplekse sukkerarter, er også avhengige av kondensasjonsreaksjoner og tap av vann for å dannes.
Gjennom årene har forskere foreslått mange løsninger på dette «vannparadokset». De fleste av dem er avhengige av svært spesifikke scenarier på tidlig jord som kunne ha tillatt vannfjerning. Disse inkluderer tørke pytter, mineralske overflater, varme kilder og hydrotermiske ventiler, blant andre. Selv om disse løsningene er plausible, krever de spesielle geologiske og kjemiske forhold som kanskje ikke har vært vanlig.
I vår fersk undersøkelse, mine kolleger og jeg funnet en enklere og mer generell løsning på vannparadokset. Ganske ironisk nok kan det være vannet i seg selv - eller for å være mer presis, veldig små vanndråper - som gjorde at tidlige biomolekyler kunne dannes.
Hvorfor mikrodråper?
Vanndråper er overalt, både i den moderne verden og spesielt under prebiotiske (eller pre-life) jorden. På en planet dekket av bølgeskvulp og rasende tidevann, faller de små vanndråpene inn sjøspray og andre aerosoler ville trolig ha gitt en enkel og rikelig plass for første biomolekyler som settes sammen.
Vanndråper - vanligvis svært små dråper med diametre rundt en milliondels meter, langt mindre enn diameter på edderkoppsilke— Det ser kanskje ikke ut til å løse vannparadokset med det første, før du vurderer de helt spesielle kjemiske miljøene de skaper.
Mikrodråper har et betydelig forhold mellom overflateareal og volum blir større jo mindre dråpen er. Dette betyr at det er et betydelig rom der løsningsmidlet de er laget av (i dette tilfellet vann) og mediet de er omgitt av (i dette tilfellet luft) møtes.
Gjennom årene har forskere vist at luft-vann-grensesnittet er et unikt kjemisk miljø. Kjemien til disse mikrodråpegrensesnittene er dominert av store elektriske felt, delvis løsning hvor molekyler er delvis omgitt av vann, svært reaktive molekylerog svært høy surhet. Alle disse faktorene lar mikrodråper akselerere de kjemiske reaksjonene som oppstår i dem.
Vårt laboratorium har studert mikrodråper for en tiår, og vårt tidligere arbeid har vist hvordan hastigheten på vanlige kjemiske reaksjoner kan økes til en millioner ganger raskere i mikrodråper. Reaksjoner som ville tatt en hel dag kan nå være fullført på bare en brøkdel av et sekund ved å bruke disse små dråpene.
In vårt siste arbeid, foreslo vi at mikrodråper kunne være en løsning på vannparadokset fordi deres luft-vann-grensesnitt ikke bare akselererer reaksjoner, men fungerer også som en "tørkende overflate" som letter reaksjonene som trengs for å lage biomolekyler til tross for tilstedeværelsen av vann.
Vi testet denne teorien ved å spraye aminosyrer oppløst i mikrodråper vann mot en massespektrometer, et instrument som kan brukes til å analysere produktene av en kjemisk reaksjon. Vi fant ut at to aminosyrer med hell kan slå seg sammen i nærvær av vann via mikrodråper. Da vi tilsatte flere aminosyrer og kolliderte to sprayer av denne blandingen sammen, etterlignet bølger i den prebiotiske verden, fant vi ut at dette kan danne korte peptidkjeder på opptil seks aminosyrer.
Våre funn tyder på at vanndråper i miljøer som sjøsprøyt eller atmosfæriske aerosoler var grunnleggende mikroreaktorer i tidlig jord. Med andre ord kan mikrodråper ha gitt et kjemisk medium som tillot livets grunnleggende molekyler å danne seg fra de enkle, små forbindelsene oppløst i det enorme urhavet som dekket planeten.
Mikrodråper fortid og fremtid
Kjemien til mikrodråper kan være nyttig for å takle dagens utfordringer på tvers av mange vitenskapelige felt.
Medikamentoppdagelse, for eksempel, krever syntetisering og testing av hundretusenvis av forbindelser for å finne et potensielt nytt medikament. Kraften til mikrodråpereaksjoner kan integreres med automatisering og nye verktøy for å øke syntesehastighetene til mer enn én reaksjon per sekund i tillegg til biologisk analyse til mindre enn et sekund per prøve.
På denne måten kan det samme fenomenet som kan ha hjulpet opphavet til livets byggesteiner for milliarder av år siden nå hjelpe forskere med å utvikle nye medisiner og materialer raskere og mer effektivt.
Kanskje JRR Tolkien hadde rett da han skrev: "Slik er ofte handlingene som beveger verdens hjul: små hender gjør det fordi de må, mens øynene til de store er andre steder."
Jeg tror viktigheten av disse små dråpene er langt større enn deres lille størrelse.
Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.
