Это парадокс: Жизнь нуждается в воде, чтобы выжить, но мир, полный воды, не может генерировать биомолекулы, которые были бы необходимы для ранней жизни. Или так думали исследователи.
Вода везде. Большая часть человеческого тела сделан из него, большая часть планеты Земля покрыто им, и люди не могут выжить больше, чем пару дней не пью. Молекулы воды имеют уникальные характеристики которые позволяют им растворять и транспортировать соединения через ваше тело, обеспечивать структуру ваших клеток и регулировать вашу температуру. На самом деле, основные химические реакции, обеспечивающие жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, требуют воды. фотосинтез быть одним примером.
Однако, когда первые биомолекулы, такие как белки и ДНК, начали собираться вместе на ранних стадиях существования планеты Земля, вода фактически была барьером для жизни.
Причина удивительно проста: присутствие воды предотвращает потерю воды химическими соединениями. Возьмем, к примеру, белки, которые являются одним из основных классов биологических молекул, из которых состоит ваше тело. Белки, по сути, представляют собой цепочки аминокислот, соединенных между собой химическими связями. Эти связи образуются за счет реакция конденсации что приводит к потере молекулы воды. По сути, аминокислоты должны стать «сухими», чтобы сформировать белок.
Учитывая, что Земля до появления жизни покрытый водой, это был большая проблема для производства белков, необходимых для жизни. Это похоже на попытку высохнуть в бассейне: двум аминокислотам было бы трудно потерять воду, чтобы соединиться в воде. первозданный суп ранней Земли. И не только белки столкнулись с этой проблемой в присутствии воды: другие биомолекулы, необходимые для жизни, включая ДНК и сложные сахара, также зависят от реакций конденсации и потери воды при формировании.
За прошедшие годы исследователи предложили множество решений этого «водного парадокса». Большинство из них опираются на очень специфические сценарии ранней Земли, которые могли позволить удалить воду. Это включает высыхающие лужи, минеральные поверхности, горячие источники и гидротермальные жерла, среди прочих. Эти решения, хотя и правдоподобные, требуют особых геологических и химических условий, которые, возможно, не были обычным явлением.
В нашей Недавнее исследование, мои коллеги и я нашел более простое и более общее решение водного парадокса. По иронии судьбы, это могла быть сама вода, или, если быть более точным, очень маленькие капельки воды, которые позволили сформироваться ранним биомолекулам.
Почему микрокапли?
Капли воды повсюду, как в современном мире, так и особенно на добиотической (или доживой) Земле. На планете, охваченной разбивающимися волнами и бушующими приливами, маленькие капельки воды в морской спрей и другие аэрозоли правдоподобно обеспечил бы простое и богатое место для первые биомолекулы, которые собираются.
Микрокапли воды — обычно очень маленькие капли диаметром около миллионной доли метра, намного меньше, чем диаметр паутины— на первый взгляд может показаться, что парадокс воды не решается, пока вы не примете во внимание особую химическую среду, которую они создают.
Микрокапли имеют значительное отношение площади поверхности к объему, что становится больше, чем меньше капля. Это означает, что существует значительное пространство, где встречаются растворитель, из которого они сделаны (в данном случае вода) и среда, в которой они окружены (в данном случае воздух).
За прошедшие годы исследователи показали, что граница раздела воздух-вода представляет собой уникальную химическую среду. В химическом составе этих интерфейсов микрокапель преобладают большие электрические поля, частичная сольватация где молекулы частично окружены водой, высокореактивные молекулыкачества очень высокая кислотность. Все эти факторы позволяют микрокаплям ускорять протекающие в них химические реакции.
Наша лаборатория изучает микрокапли в течение десятилетие, а наша предыдущая работа показала, как скорость обычных химических реакций может быть увеличена до Миллион раз быстрее в микрокаплях. Реакции, которые заняли бы целый день, теперь могли быть завершены всего за доли секунды с использованием этих маленьких капель.
In наша недавняя работаМы предположили, что микрокапли могут быть решением водного парадокса, потому что их поверхность раздела воздух-вода не только ускоряет реакции, но и действует как «высыхающая поверхность», которая облегчает реакции, необходимые для создания биомолекул, несмотря на присутствие воды.
Мы проверили эту теорию, распылив аминокислоты, растворенные в микрокаплях воды, на масс-спектрометр, прибор, который можно использовать для анализа продуктов химической реакции. Мы обнаружили, что две аминокислоты могут успешно соединяться вместе в присутствии воды через микрокапли. Когда мы добавили больше аминокислот и столкнули две струи этой смеси вместе, имитируя грохот волн в пребиотическом мире, мы обнаружили, что это может образовывать короткие пептидные цепи до шести аминокислот.
Наши результаты показывают, что микрокапли воды в таких условиях, как морские брызги или атмосферные аэрозоли, были фундаментальными микрореакторами на ранней Земле. Другими словами, микрокапли, возможно, обеспечили химическую среду, которая позволила сформироваться основным молекулам жизни из простых, небольших соединений, растворенных в огромном первозданном океане, покрывавшем планету.
Микрокапли: прошлое и будущее
Химия микрокапель может помочь в решении текущих проблем во многих научных областях.
Открытие лекарств, например, требует синтеза и тестирования сотен тысяч соединений, чтобы найти потенциальное новое лекарство. Сила микрокапельных реакций может быть объединена с автоматизацией и новыми инструментами для ускорения скорости синтеза до более одной реакции в секунду так же как и сигнал биологический анализ менее секунды на выборку.
Таким образом, то же самое явление, которое могло способствовать возникновению строительных блоков жизни миллиарды лет назад, теперь может помочь ученым быстрее и эффективнее разрабатывать новые лекарства и материалы.
возможно Дж. Р. Р. Толкиена был прав, когда писал: «Часто таков ход дел, приводящих в движение колеса мира: маленькие руки делают их, потому что должны, тогда как глаза великих находятся где-то в другом месте».
Я считаю, что важность этих маленьких капель намного больше, чем их крошечный размер.
Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
