Det är en paradoxen: Livet behöver vatten för att överleva, men en värld full av vatten kan inte generera de biomolekyler som skulle ha varit nödvändiga för tidigt liv. Eller så trodde forskare.
Vatten finns överallt. Det mesta av människokroppen är gjord av det, mycket av planeten jorden omfattas av det, och människor kan inte överleva mer än en ett par dagar utan att dricka det. Vattenmolekyler har unika egenskaper som tillåter dem att lösa upp och transportera föreningar genom din kropp, ge struktur till dina celler och reglera din temperatur. Faktum är att de grundläggande kemiska reaktionerna som möjliggör livet som vi känner det kräver vatten, fotosyntes vara ett exempel.
Men när de första biomolekylerna som proteiner och DNA började samlas i de tidiga stadierna av planeten jorden, var vatten faktiskt en barriär för liv.
Anledningen är förvånansvärt enkel: Närvaron av vatten förhindrar kemiska föreningar från att förlora vatten. Ta till exempel proteiner, som är en av huvudklasserna av biologiska molekyler som utgör din kropp. Proteiner är i huvudsak kedjor av aminosyror som är sammanlänkade genom kemiska bindningar. Dessa bindningar bildas genom en kondensation reaktion som resulterar i förlust av en vattenmolekyl. I huvudsak måste aminosyrorna bli "torra" för att bilda ett protein.
Med tanke på att jorden före livet var täckt av vatten, detta var en stort problem för att göra proteinerna livsnödvändiga. Som att försöka bli torr i en pool, skulle två aminosyror ha haft svårt att förlora vatten för att komma samman i ursoppa av den tidiga jorden. Och det var inte bara proteiner som stod inför detta problem i närvaro av vatten: Andra biomolekyler som är livsnödvändiga, inklusive DNA och komplexa sockerarter, är också beroende av kondensationsreaktioner och förlorar vatten för att bildas.
Under åren har forskare föreslagit många lösningar på denna "vattenparadox". De flesta av dem förlitar sig på mycket specifika scenarier på den tidiga jorden som kunde ha tillåtit vattenborttagning. Dessa inkluderar torka pölar, mineralytor, varma källor och varmvatten ventilation, bland andra. Dessa lösningar, även om de är rimliga, kräver speciella geologiska och kemiska förhållanden som kanske inte var vanliga.
I vår färsk studie, mina kollegor och jag hittat en enklare och mer allmän lösning på vattenparadoxen. Ganska ironiskt nog kan det vara själva vattnet - eller för att vara mer exakt, mycket små vattendroppar - som gjorde att tidiga biomolekyler kunde bildas.
Varför mikrodroppar?
Vattendroppar finns överallt, både i den moderna världen och särskilt under den prebiotiska (eller pre-life) jorden. På en planet täckt av rasande vågor och rasande tidvatten droppar de små vattendroppar in havsspray och andra aerosoler skulle troligen ha gett en enkel och riklig plats för första biomolekylerna att montera.
Vattenmikrodroppar - vanligtvis mycket små droppar med diametrar runt en miljondels meter, mycket mindre än diameter av spindelsilke— kanske inte tycks lösa vattenparadoxen först, förrän du tänker på de mycket speciella kemiska miljöerna de skapar.
Mikrodroppar har ett betydande förhållande mellan ytarea och volym blir större ju mindre droppen är. Det betyder att det finns ett betydande utrymme där lösningsmedlet de är gjorda av (i detta fall vatten) och mediet de omges av (i detta fall luft) möts.
Under åren har forskare visat att luft-vatten-gränssnittet är en unik kemisk miljö. Kemin i dessa mikrodroppgränssnitt domineras av stora elektriska fält, partiell lösning där molekyler är delvis omgivna av vatten, mycket reaktiva molekyleroch mycket hög surhet. Alla dessa faktorer tillåter mikrodroppar att påskynda de kemiska reaktionerna som uppstår i dem.
Vårt lab har studerat mikrodroppar i en tid årtionde, och vårt tidigare arbete har visat hur hastigheten för vanliga kemiska reaktioner kan påskyndas till en miljoner gånger snabbare i mikrodroppar. Reaktioner som skulle ha tagit en hel dag kunde nu vara fullständiga på bara en bråkdel av en sekund med dessa små droppar.
In vårt senaste arbete, föreslog vi att mikrodroppar skulle kunna vara en lösning på vattenparadoxen eftersom deras luft-vatten-gränssnitt inte bara accelererar reaktioner utan också fungerar som en "torkande yta" som underlättar de reaktioner som behövs för att skapa biomolekyler trots närvaron av vatten.
Vi testade denna teori genom att spraya aminosyror lösta i mikrodroppar vatten mot en masspektrometer, ett instrument som kan användas för att analysera produkterna från en kemisk reaktion. Vi fann att två aminosyror framgångsrikt kan sammanfogas i närvaro av vatten via mikrodroppar. När vi tillsatte fler aminosyror och kolliderade två sprayer av denna blandning tillsammans, efterliknade kraschande vågor i den prebiotiska världen, fann vi att detta kan bilda korta peptidkedjor på upp till sex aminosyror.
Våra fynd tyder på att vattenmikrodroppar i miljöer som havsspray eller atmosfäriska aerosoler var grundläggande mikroreaktorer i början av jorden. Med andra ord kan mikrodroppar ha tillhandahållit ett kemiskt medium som tillät livets grundläggande molekyler att bildas från de enkla, små föreningarna lösta i det stora urhav som täckte planeten.
Mikrodroppar förr och framtid
Kemin hos mikrodroppar kan vara till hjälp för att ta itu med nuvarande utmaningar inom många vetenskapliga områden.
Läkemedelsupptäckten kräver till exempel syntetisering och testning av hundratusentals föreningar för att hitta ett potentiellt nytt läkemedel. Kraften i mikrodroptreaktioner kan integreras med automatisering och nya verktyg för att påskynda synteshastigheter till mer än en reaktion per sekund såväl som biologisk analys till mindre än en sekund per prov.
På det här sättet kan samma fenomen som kan ha hjälpt uppkomsten av livets byggstenar för miljarder år sedan nu hjälpa forskare att utveckla nya mediciner och material snabbare och mer effektivt.
Kanske JRR Tolkien hade rätt när han skrev: "Sådan är ofta handlingens gång som rör världens hjul: små händer gör dem för att de måste, medan de storas ögon är någon annanstans."
Jag tror att betydelsen av dessa små droppar är mycket större än deras lilla storlek.
Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.
