To jest paradoks: Życie potrzebuje wody, aby przetrwać, ale świat pełen wody nie może generować biomolekuł, które byłyby niezbędne we wczesnym okresie życia. Tak przynajmniej myśleli badacze.
Woda jest wszędzie. Większość ludzkiego ciała jest z niego zrobiony, znaczna część planety Ziemia jest nim objęty, a ludzie nie mogą przetrwać dłużej niż kilka dni bez picia. Cząsteczki wody mają unikalne cechy które pozwalają im rozpuszczać i transportować związki przez organizm, zapewniają strukturę komórkom i regulują temperaturę. W rzeczywistości podstawowe reakcje chemiczne, które umożliwiają życie, jakie znamy, wymagają wody, fotosynteza będąc jednym z przykładów.
Jednak, kiedy pierwsze biomolekuły, takie jak białka i DNA, zaczęły się łączyć we wczesnych stadiach planety Ziemia, woda była w rzeczywistości barierą dla życia.
Powód jest zaskakująco prosty: obecność wody zapobiega utracie wody przez związki chemiczne. Weźmy na przykład białka, które są jedną z głównych klas cząsteczek biologicznych tworzących twoje ciało. Białka to w istocie łańcuchy aminokwasów połączone wiązaniami chemicznymi. Wiązania te są tworzone przez a reakcja kondensacji co powoduje utratę cząsteczki wody. Zasadniczo aminokwasy muszą „wyschnąć”, aby utworzyć białko.
Biorąc pod uwagę, że Ziemia przed życiem była pokryty wodą, to było wielki problem do wytwarzania białek niezbędnych do życia. Podobnie jak próba wyschnięcia w basenie, dwa aminokwasy miałyby trudności z utratą wody, aby połączyć się w pierwotna zupa wczesnej Ziemi. I nie tylko białka stanęły przed tym problemem w obecności wody: inne biomolekuły niezbędne do życia, w tym DNA i cukry złożone, również opierają się na reakcjach kondensacji i utracie wody podczas tworzenia.
Przez lata badacze proponowali wiele rozwiązań tego „paradoksu wodnego”. Większość z nich opiera się na bardzo konkretnych scenariuszach na wczesnej Ziemi, które mogły pozwolić na usuwanie wody. Obejmują one suszące się kałuże, powierzchnie mineralne, gorące źródła i kominy hydrotermalne, pośród innych. Rozwiązania te, choć prawdopodobne, wymagają szczególnych warunków geologicznych i chemicznych, które mogły nie być powszechne.
W naszym Ostatnie badania, moi koledzy i ja znalazł prostsze i bardziej ogólne rozwiązanie paradoksu wodnego. Jak na ironię, może to być sama woda – a dokładniej bardzo małe kropelki wody – które umożliwiły powstanie wczesnych biomolekuł.
Dlaczego mikrokropelki?
Kropelki wody są wszędzie, zarówno we współczesnym świecie, jak i na prebiotycznej (lub przed życiem) Ziemi. Na planecie pokrytej rozbijającymi się falami i szalejącymi pływami małe kropelki wody spray morski i inne aerozole prawdopodobnie zapewniłby proste i obfite miejsce dla pierwsze biomolekuły do złożenia.
Mikrokropelki wody — zazwyczaj bardzo małe kropelki o średnicach około milionowej części metra, znacznie mniejszy niż średnica pajęczego jedwabiu— na początku może się wydawać, że nie rozwiąże paradoksu wodnego, dopóki nie weźmie się pod uwagę bardzo szczególnych środowisk chemicznych, które tworzą.
Mikrokropelki mają znaczny stosunek powierzchni do objętości, który robi się większa, im mniejsza jest kropla. Oznacza to, że istnieje znaczna przestrzeń, w której spotykają się rozpuszczalnik (w tym przypadku woda) i środowisko, którym są otoczone (w tym przypadku powietrze).
Na przestrzeni lat naukowcy wykazali, że granica faz powietrze-woda jest wyjątkowym środowiskiem chemicznym. Chemia tych interfejsów mikrokropel jest zdominowana przez duże pola elektryczne, częściowa solwatacja gdzie cząsteczki są częściowo otoczone wodą, wysoce reaktywne cząsteczki, bardzo wysoka kwasowość. Wszystkie te czynniki pozwalają mikrokropelkom przyspieszyć zachodzące w nich reakcje chemiczne.
Nasze laboratorium bada mikrokropelki przez dekada, a nasza poprzednia praca wykazała, jak można przyspieszyć tempo typowych reakcji chemicznych do a milion razy szybciej w mikrokropelkach. Dzięki tym małym kropelkom reakcje, które zajęłyby cały dzień, mogą być teraz zakończone w zaledwie ułamek sekundy.
In nasza ostatnia praca, zaproponowaliśmy, że mikrokropelki mogą być rozwiązaniem paradoksu wodnego, ponieważ ich interfejs powietrze-woda nie tylko przyspiesza reakcje, ale także działa jako „powierzchnia osuszająca”, która ułatwia reakcje potrzebne do tworzenia biocząsteczek pomimo obecności wody.
Przetestowaliśmy tę teorię, rozpylając aminokwasy rozpuszczone w mikrokropelkach wody w kierunku a spektrometr masowy, instrument, który można wykorzystać do analizy produktów reakcji chemicznej. Odkryliśmy, że dwa aminokwasy mogą z powodzeniem łączyć się w obecności wody za pomocą mikrokropelek. Kiedy dodaliśmy więcej aminokwasów i zderzyliśmy ze sobą dwa rozpylenia tej mieszaniny, naśladując rozbijające się fale w świecie prebiotyków, odkryliśmy, że może to tworzyć krótkie łańcuchy peptydowe do sześciu aminokwasów.
Nasze odkrycia sugerują, że mikrokropelki wody w takich środowiskach jak rozpylone wody morskie lub aerozole atmosferyczne były podstawowymi mikroreaktorami we wczesnej Ziemi. Innymi słowy, mikrokropelki mogły stanowić ośrodek chemiczny, który umożliwiał formowanie się podstawowych cząsteczek życia z prostych, małych związków rozpuszczonych w ogromnym pierwotnym oceanie pokrywającym planetę.
Przeszłość i przyszłość mikrokropelek
Chemia mikrokropelek może być pomocna w rozwiązywaniu bieżących wyzwań w wielu dziedzinach nauki.
Na przykład odkrycie leków wymaga syntezy i testowania setek tysięcy związków, aby znaleźć potencjalny nowy lek. Siłę reakcji mikrokropel można zintegrować z automatyzacją i nowymi narzędziami w celu przyspieszenia szybkości syntezy do więcej niż jedna reakcja na sekundę jak również analiza biologiczna do mniej niż sekundy na próbkę.
W ten sposób to samo zjawisko, które mogło pomóc w powstawaniu elementów budulcowych życia miliardy lat temu, może teraz pomóc naukowcom w szybszym i bardziej wydajnym opracowywaniu nowych leków i materiałów.
może John Ronald Reuel Tolkien miał rację, pisząc: „Taki jest często bieg czynów, które poruszają kołami świata: małe ręce robią to, bo muszą, podczas gdy oczy wielkich są gdzie indziej”.
Uważam, że znaczenie tych małych kropelek jest znacznie większe niż ich niewielki rozmiar.
Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.
