To je Paradoks: Življenje potrebuje vodo za preživetje, vendar svet, poln vode, ne more ustvariti biomolekul, ki bi bile bistvene za zgodnje življenje. Ali tako so mislili raziskovalci.
Voda je povsod. Večino človeškega telesa je narejen iz njega, velik del planeta Zemlje je pokrit z njim in ljudje ne morejo preživeti več kot a nekaj dni brez pitja. Molekule vode imajo edinstvene lastnosti ki jim omogočajo raztapljanje in transport spojin skozi vaše telo, zagotavljajo strukturo vašim celicam in uravnavajo vašo temperaturo. Pravzaprav je za osnovne kemične reakcije, ki omogočajo življenje, kot ga poznamo, potrebna voda, fotosinteza biti en primer.
Ko pa so se prve biomolekule, kot so beljakovine in DNK, začele združevati v zgodnjih fazah planeta Zemlje, je bila voda pravzaprav ovira za življenje.
Razlog za to je presenetljivo preprost: prisotnost vode preprečuje, da bi kemične spojine izgubile vodo. Vzemimo za primer beljakovine, ki so eden od glavnih razredov bioloških molekul, ki sestavljajo vaše telo. Beljakovine so v bistvu verige aminokislin, ki so med seboj povezane s kemičnimi vezmi. Te vezi nastanejo prek a kondenzacijska reakcija kar povzroči izgubo molekule vode. V bistvu se morajo aminokisline "posušiti", da se tvori beljakovina.
Glede na to, da je bila Zemlja pred življenjem pokrito z vodo, to je bil a velik problem za izdelavo beljakovin, bistvenih za življenje. Kot da bi se poskušali posušiti v bazenu, bi dve aminokislini težko izgubili vodo, da bi se združili v prvotna juha zgodnje Zemlje. In niso bile samo beljakovine tiste, ki so se soočile s to težavo v prisotnosti vode: druge biomolekule, ki so bistvene za življenje, vključno z DNK in kompleksnimi sladkorji, so prav tako odvisne od kondenzacijskih reakcij in izgube vode, da nastanejo.
Z leti so raziskovalci predlagali številne rešitve za ta "vodni paradoks". Večina se jih opira na zelo specifične scenarije na zgodnji Zemlji, ki bi lahko omogočili odstranitev vode. Tej vključujejo sušenje luž, mineralne površine, vroče vzmeti in hidrotermalne odprtine, med ostalimi. Te rešitve, čeprav verjetne, zahtevajo posebne geološke in kemične pogoje, ki morda niso bili običajni.
V našem Nedavna študija, moji kolegi in jaz našli enostavnejšo in splošnejšo rešitev vodnega paradoksa. Povsem ironično je morda voda sama – ali če smo natančnejši, zelo majhne vodne kapljice – tista, ki je omogočila nastanek zgodnjih biomolekul.
Zakaj mikrokapljice?
Kapljice vode so povsod, tako v sodobnem svetu kot zlasti v času predbiotske (ali predživljenjske) Zemlje. Na planetu, ki ga prekrivajo valovi in besneče plime, majhne kapljice vode morsko pršilo in drugi aerosoli bi verjetno zagotovil preprosto in obilno mesto za prve sestavljene biomolekule.
Vodne mikrokapljice—običajno zelo majhne kapljice s premerom približno milijoninko metra, veliko manjši od premer pajkove svile— na prvi pogled morda ne bo rešilo paradoksa vode, dokler ne razmislite o zelo posebnih kemičnih okoljih, ki jih ustvarjajo.
Mikrokapljice imajo precejšnje razmerje med površino in prostornino, ki tem večja, čim manjša je kapljica. To pomeni, da obstaja velik prostor, kjer se srečata topilo, iz katerega so izdelani (v tem primeru voda) in medij, ki ga obdaja (v tem primeru zrak).
Z leti so raziskovalci dokazali, da je vmesnik zrak-voda edinstveno kemično okolje. V kemiji teh vmesnikov mikrokapljic prevladuje velika električna polja, delna rešitev kjer so molekule delno obdane z vodo, visoko reaktivne molekulein zelo visoka kislost. Vsi ti dejavniki omogočajo, da mikrokapljice pospešijo kemične reakcije, ki se v njih odvijajo.
Naš laboratorij preučuje mikrokapljice že a desetletje, naše prejšnje delo pa je pokazalo, kako je mogoče hitrost običajnih kemičnih reakcij pospešiti na a milijonkrat hitreje v mikrokapljicah. Reakcije, ki bi trajale cel dan, bi se zdaj lahko zaključile v le delčku sekunde z uporabo teh majhnih kapljic.
In naše nedavno delo, smo predlagali, da bi mikrokapljice lahko bile rešitev za vodni paradoks, ker njihov vmesnik zrak-voda ne le pospešuje reakcije, temveč deluje tudi kot "sušilna površina", ki olajša reakcije, potrebne za ustvarjanje biomolekul kljub prisotnosti vode.
To teorijo smo preizkusili z razprševanjem aminokislin, raztopljenih v mikrokapljicah vode, proti a masni spektrometer, instrument, ki se lahko uporablja za analizo produktov kemične reakcije. Ugotovili smo, da se lahko dve aminokislini uspešno združita v prisotnosti vode preko mikrokapljic. Ko smo dodali več aminokislin in združili dva razpršila te mešanice, posnemali treskav val v prebiotskem svetu, smo ugotovili, da lahko to tvori kratke peptidne verige do šestih aminokislin.
Naše ugotovitve kažejo, da so bile vodne mikrokapljice v okoljih, kot so morski pršilci ali atmosferski aerosoli, temeljni mikroreaktorji v zgodnji Zemlji. Z drugimi besedami, mikrokapljice so morda zagotovile kemični medij, ki je omogočil nastanek osnovnih molekul življenja iz preprostih, majhnih spojin, raztopljenih v ogromnem prvobitnem oceanu, ki je prekrival planet.
Preteklost in prihodnost mikrokapljic
Kemija mikrokapljic bi lahko bila v pomoč pri reševanju trenutnih izzivov na številnih znanstvenih področjih.
Odkrivanje zdravil, na primer, zahteva sintetiziranje in testiranje na stotine tisoč spojin, da bi našli potencialno novo zdravilo. Moč mikrokapljičnih reakcij je mogoče integrirati z avtomatizacijo in novimi orodji za pospešitev stopenj sinteze več kot eno reakcijo na sekundo tako dobro, kot biološka analiza na manj kot sekundo na vzorec.
Na ta način lahko isti pojav, ki je morda pomagal pri nastanku gradnikov življenja pred milijardami let, zdaj pomaga znanstvenikom pri hitrejšem in učinkovitejšem razvoju novih zdravil in materialov.
Morda JRR Tolkien je imel prav, ko je zapisal: »Takšna so pogosto dejanja, ki premikajo kolesje sveta: majhne roke jih delajo, ker morajo, medtem ko so oči velikih drugje.«
Verjamem, da je pomen teh majhnih kapljic veliko večji od njihove majhne velikosti.
Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.
