Este o paradox: Viața are nevoie de apă pentru a supraviețui, dar o lume plină de apă nu poate genera biomoleculele care ar fi fost esențiale pentru viața timpurie. Sau așa credeau cercetătorii.
Apa este peste tot. Majoritatea corpului uman este făcut din ea, mare parte a planetei Pământ este acoperit de ea, iar oamenii nu pot supraviețui mai mult de a câteva zile fără să-l bei. Moleculele de apă au caracteristici unice care le permit să se dizolve și să transporte compuși prin corpul tău, să ofere structură celulelor tale și să-ți regleze temperatura. De fapt, reacțiile chimice de bază care permit viața așa cum o cunoaștem necesită apă, fotosinteză fiind un exemplu.
Cu toate acestea, când primele biomolecule, cum ar fi proteinele și ADN-ul, au început să se unească în primele etape ale planetei Pământ, apa a fost de fapt o barieră în calea vieții.
Motivul pentru care este surprinzător de simplu: prezența apei împiedică compușii chimici să piardă apă. Luați, de exemplu, proteinele, care sunt una dintre principalele clase de molecule biologice care alcătuiesc corpul dumneavoastră. Proteinele sunt, în esență, lanțuri de aminoacizi legate între ele prin legături chimice. Aceste legături se formează prin a reactie de condensare care duce la pierderea unei molecule de apă. În esență, aminoacizii trebuie să se „usce” pentru a forma o proteină.
Având în vedere că Pământul înainte de viață a fost acoperit cu apă, acesta a fost un problema mare pentru a face proteinele esențiale vieții. Ca și cum ar fi încercat să se usuce în interiorul unei piscine, doi aminoacizi ar fi avut greu să piardă apă pentru a se reuni în supă primordială al Pământului timpuriu. Și nu numai proteinele s-au confruntat cu această problemă în prezența apei: alte biomolecule esențiale vieții, inclusiv ADN-ul și zaharurile complexe, se bazează, de asemenea, pe reacții de condensare și pe pierderea apei pentru a se forma.
De-a lungul anilor, cercetătorii au propus multe soluții la acest „paradox al apei”. Majoritatea dintre ele se bazează pe scenarii foarte specifice de pe Pământul timpuriu care ar fi putut permite îndepărtarea apei. Acestea includ bălți de uscare, suprafete minerale, primaveri calduroase și orificii hidrotermale, printre alții. Aceste soluții, deși plauzibile, necesită condiții geologice și chimice speciale care ar putea să nu fi fost obișnuite.
În nostru studiu recent, colegii mei și eu a găsit o soluție mai simplă și mai generală la paradoxul apei. În mod ironic, ar putea fi apa însăși – sau mai precis, picături de apă foarte mici – care a permis formarea biomoleculelor timpurii.
De ce micropicături?
Picăturile de apă sunt peste tot, atât în lumea modernă, cât și în special în timpul prebiotic (sau pre-vie) Pământului. Pe o planetă acoperită de valuri care se prăbușesc și maree furioase, micile picături de apă intră spray de mare și alți aerosoli ar fi asigurat în mod plauzibil un loc simplu și abundent pentru primele biomolecule asamblate.
Micropicături de apă - de obicei picături foarte mici, cu diametre în jur de o milionime de metru, mult mai mic decât cel diametrul mătasei de păianjen— s-ar putea să nu pară să rezolve paradoxul apei la început, până când nu luați în considerare mediile chimice foarte particulare pe care le creează.
Micropicăturile au un raport substanțial suprafață-volum care devine mai mare cu cât picătura este mai mică. Aceasta înseamnă că există un spațiu semnificativ în care se întâlnesc solventul din care sunt făcute (în acest caz, apă) și mediul de care sunt înconjurate (în acest caz, aer).
De-a lungul anilor, cercetătorii au arătat că interfața aer-apă este un mediu chimic unic. Chimia acestor interfețe de micropicături este dominată de câmpuri electrice mari, solvatare parțială unde moleculele sunt parțial înconjurate de apă, molecule foarte reactive, și aciditate foarte mare. Toți acești factori permit micropicăturilor să accelereze reacțiile chimice care au loc în ele.
Laboratorul nostru a studiat micropicăturile de a deceniu, iar munca noastră anterioară a arătat cum viteza reacțiilor chimice comune poate fi accelerată până la a de milioane de ori mai rapid în micropicături. Reacțiile care ar fi durat o zi întreagă ar putea fi acum complete în doar o fracțiune de secundă folosind aceste mici picături.
In munca noastră recentă, am propus că micropicăturile ar putea fi o soluție la paradoxul apei, deoarece interfața lor aer-apă nu numai că accelerează reacțiile, ci acționează și ca o „suprafață de uscare” care facilitează reacțiile necesare pentru a crea biomolecule în ciuda prezenței apei.
Am testat această teorie prin pulverizarea aminoacizilor dizolvați în micropicături de apă spre a spectrometru de masă, un instrument care poate fi folosit pentru a analiza produșii unei reacții chimice. Am descoperit că doi aminoacizi se pot uni cu succes în prezența apei prin micropicături. Când am adăugat mai mulți aminoacizi și am ciocnit împreună două pulverizări din acest amestec, mimând valurile care se prăbușesc în lumea prebiotică, am descoperit că aceasta poate forma lanțuri peptidice scurte de până la șase aminoacizi.
Descoperirile noastre sugerează că micropicăturile de apă în setari precum spray-ul mării sau aerosolii atmosferici au fost microreactoare fundamentale la începutul Pământului. Cu alte cuvinte, este posibil ca micropicăturile să fi furnizat un mediu chimic care a permis formarea moleculelor de bază ale vieții din compușii simpli, mici, dizolvați în vastul ocean primordial care acoperea planeta.
Micropicături Trecut și Viitor
Chimia micropicăturilor ar putea fi utilă în abordarea provocărilor actuale din multe domenii științifice.
Descoperirea medicamentelor, de exemplu, necesită sintetizarea și testarea a sute de mii de compuși pentru a găsi un potențial nou medicament. Puterea reacțiilor cu micropicături poate fi integrată cu automatizare și noi instrumente pentru a accelera ratele de sinteză la mai mult de o reacție pe secundă precum și analiză biologică la mai puțin de o secundă per probă.
În acest fel, același fenomen care ar fi putut ajuta la originea blocurilor de construcție ale vieții cu miliarde de ani în urmă îi poate ajuta acum pe oamenii de știință să dezvolte noi medicamente și materiale mai rapid și mai eficient.
Poate JRR Tolkien avea dreptate când scria: „Adeseori, acesta este cursul faptelor care mișcă roțile lumii: mâinile mici le fac pentru că trebuie, în timp ce ochii celor mari sunt în altă parte”.
Cred că importanța acestor picături mici este mult mai mare decât dimensiunea lor mică.
Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.
