มันคือ บุคคลที่ผิดธรรมดา: ชีวิตต้องการน้ำเพื่อความอยู่รอด แต่โลกที่เต็มไปด้วยน้ำไม่สามารถสร้างชีวโมเลกุลที่จำเป็นสำหรับชีวิตในวัยเด็กได้ หรือนักวิจัยคิดว่า
น้ำมีอยู่ทุกที่ ร่างกายมนุษย์ส่วนใหญ่ ทำจากมัน ส่วนใหญ่ของดาวเคราะห์โลก ถูกปกคลุมไปด้วย และมนุษย์อยู่ไม่ได้มากกว่า สองสามวันโดยไม่ดื่มมัน. โมเลกุลของน้ำมี ลักษณะเฉพาะ ที่ช่วยให้พวกมันละลายและขนส่งสารประกอบผ่านร่างกายของคุณ สร้างโครงสร้างให้กับเซลล์ของคุณ และควบคุมอุณหภูมิของคุณ อันที่จริง ปฏิกิริยาเคมีพื้นฐานที่ทำให้สิ่งมีชีวิตเกิดได้ดังที่เรารู้ว่ามันต้องการน้ำ การสังเคราะห์แสง เป็นตัวอย่างหนึ่ง
อย่างไรก็ตาม เมื่อชีวโมเลกุลแรกอย่างโปรตีนและดีเอ็นเอเริ่มรวมตัวกันในช่วงแรกของโลก น้ำเป็นอุปสรรคต่อชีวิตจริงๆ
เหตุผลที่ง่ายอย่างน่าประหลาดใจ: การมีอยู่ของน้ำช่วยป้องกันสารเคมีไม่ให้สูญเสียน้ำ ยกตัวอย่างเช่น โปรตีน ซึ่งเป็นหนึ่งในกลุ่มหลักของโมเลกุลทางชีววิทยาที่ประกอบขึ้นเป็นร่างกายของคุณ โดยพื้นฐานแล้วโปรตีนเป็นสายโซ่ของกรดอะมิโนที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะเคมี พันธะเหล่านี้เกิดขึ้นจาก a ปฏิกิริยาควบแน่น ซึ่งส่งผลให้สูญเสียโมเลกุลของน้ำ โดยพื้นฐานแล้ว กรดอะมิโนจำเป็นต้อง "แห้ง" เพื่อสร้างโปรตีน
พิจารณาว่าโลกก่อนชีวิตเป็น อยู่ในน้ำ, นี่คือ ปัญหาใหญ่ เพื่อสร้างโปรตีนที่จำเป็นต่อชีวิต เช่นเดียวกับการพยายามทำให้แห้งในสระว่ายน้ำ กรดอะมิโน XNUMX ตัวจะสูญเสียน้ำมารวมกันได้ยาก ซุปต้นตำรับ ของโลกยุคแรก และไม่ใช่เพียงโปรตีนเท่านั้นที่ประสบปัญหานี้เมื่อมีน้ำ ชีวโมเลกุลอื่นๆ ที่จำเป็นต่อชีวิต รวมทั้งดีเอ็นเอและน้ำตาลเชิงซ้อน ยังพึ่งพาปฏิกิริยาการควบแน่นและการสูญเสียน้ำเพื่อก่อตัว
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้เสนอวิธีแก้ปัญหามากมายสำหรับ "ความขัดแย้งทางน้ำ" นี้ ส่วนใหญ่อาศัยสถานการณ์เฉพาะเจาะจงมากบนโลกยุคแรกๆ ที่อาจอนุญาตให้มีการกำจัดน้ำได้ ได้แก่ แอ่งน้ำแห้ง, พื้นผิวแร่, น้ำพุร้อน และ ช่องระบายความร้อนด้วยน้ำ, ท่ามกลางคนอื่น ๆ. การแก้ปัญหาเหล่านี้แม้ว่าจะเป็นไปได้ แต่ต้องมีสภาพทางธรณีวิทยาและเคมีที่อาจไม่ธรรมดา
ในของเรา ผลการศึกษาล่าสุด, เพื่อนร่วมงานของฉัน และฉัน พบวิธีแก้ปัญหาที่ง่ายกว่าและกว้างกว่าสำหรับความขัดแย้งทางน้ำ ค่อนข้างแดกดัน อาจเป็นน้ำ หรือให้ละเอียดกว่านั้นคือหยดน้ำขนาดเล็กมาก ที่ยอมให้ชีวโมเลกุลก่อตัวขึ้น
ทำไมต้องไมโครดรอปเล็ต?
หยดน้ำมีอยู่ทั่วไปทั้งในโลกสมัยใหม่และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงพรีไบโอติก (หรือก่อนชีวิต) ในดาวเคราะห์ที่ปกคลุมไปด้วยคลื่นกระแทกและกระแสน้ำที่โหมกระหน่ำ หยดน้ำขนาดเล็กใน สเปรย์น้ำทะเลและละอองลอยอื่นๆ จะจัดหาสถานที่ที่เรียบง่ายและอุดมสมบูรณ์สำหรับ ชีวโมเลกุลแรกที่จะรวมตัวกัน.
ไมโครหยดน้ำ—โดยทั่วไปแล้วจะเป็นหยดน้ำขนาดเล็กมากที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ประมาณหนึ่งในล้านของเมตร, เล็กกว่า .มาก เส้นผ่านศูนย์กลางของใยแมงมุม—อาจดูเหมือนไม่แก้ปัญหาความขัดแย้งของน้ำในตอนแรก จนกว่าคุณจะพิจารณาสภาพแวดล้อมทางเคมีที่เฉพาะเจาะจงที่พวกเขาสร้างขึ้น
ไมโครดรอปเล็ตมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรมากซึ่ง ยิ่งหยดยิ่งเล็ก. ซึ่งหมายความว่ามีพื้นที่สำคัญที่ตัวทำละลายที่ทำขึ้น (ในกรณีนี้คือน้ำ) และตัวกลางที่ล้อมรอบด้วย (ในกรณีนี้คืออากาศ)
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าส่วนติดต่อระหว่างอากาศกับน้ำเป็นสภาพแวดล้อมทางเคมีที่มีลักษณะเฉพาะ เคมีของอินเทอร์เฟซ microdroplet เหล่านี้ถูกครอบงำโดย สนามไฟฟ้าขนาดใหญ่, สารละลายบางส่วน โดยที่โมเลกุลบางส่วนถูกล้อมรอบด้วยน้ำ โมเลกุลที่มีปฏิกิริยาสูงและ ความเป็นกรดสูงมาก. ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้ทำให้ไมโครดรอปเล็ตสามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในตัวมันได้
ห้องปฏิบัติการของเรา ได้ศึกษาไมโครดรอปเล็ตสำหรับ a ทศวรรษและงานก่อนหน้าของเราได้แสดงให้เห็นว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีทั่วไปสามารถเร่งได้ถึง a ล้านครั้ง เร็วขึ้นในไมโครดรอปเล็ต ปฏิกิริยาที่กินเวลาเต็มวันอาจเสร็จสมบูรณ์ในเวลาเพียงเสี้ยววินาทีโดยใช้ละอองเล็กๆ เหล่านี้
In ผลงานล่าสุดของเราเราเสนอว่าไมโครดรอปเล็ตอาจเป็นวิธีแก้ปัญหาความขัดแย้งของน้ำ เนื่องจากส่วนติดต่อระหว่างอากาศกับน้ำไม่เพียงแต่เร่งปฏิกิริยาเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่เป็น "พื้นผิวที่ทำให้แห้ง" ซึ่งช่วยให้เกิดปฏิกิริยาที่จำเป็นในการสร้างโมเลกุลชีวภาพแม้ว่าจะมีน้ำอยู่ก็ตาม
เราทดสอบทฤษฎีนี้โดยการฉีดพ่นกรดอะมิโนที่ละลายในไมโครหยดของน้ำไปทาง a เครื่องวัดมวลสารเป็นเครื่องมือที่สามารถใช้ในการวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาเคมี เราพบว่ากรดอะมิโนสองชนิดสามารถรวมตัวกันได้สำเร็จในที่ที่มีน้ำผ่านไมโครดรอปเล็ต เมื่อเราเพิ่มกรดอะมิโนมากขึ้นและชนสเปรย์ของส่วนผสมนี้เข้าด้วยกัน XNUMX ครั้ง โดยเลียนแบบคลื่นที่กระทบกันในโลกพรีไบโอติก เราพบว่าสิ่งนี้สามารถสร้างสายเปปไทด์สั้นที่มีกรดอะมิโนได้ถึงหกตัว
การค้นพบของเราแนะนำว่าไมโครดร็อปเล็ตในน้ำในสภาพแวดล้อมอย่างเช่น ละอองน้ำทะเลหรือละอองลอยในชั้นบรรยากาศเป็นไมโครรีแอคเตอร์พื้นฐานในยุคแรกๆ ของโลก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไมโครดรอปเล็ตอาจเป็นตัวกลางทางเคมีที่ยอมให้โมเลกุลพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตก่อตัวขึ้นจากสารประกอบเล็กๆ ธรรมดาๆ ที่ละลายในมหาสมุทรดึกดำบรรพ์อันกว้างใหญ่ที่ปกคลุมโลก
Microdroplets อดีตและอนาคต
เคมีของไมโครดรอปเล็ตอาจมีประโยชน์ในการรับมือกับความท้าทายในปัจจุบันในสาขาวิทยาศาสตร์มากมาย
ตัวอย่างเช่น การค้นพบยาจำเป็นต้องมีการสังเคราะห์และทดสอบสารประกอบหลายแสนชนิดเพื่อค้นหายาใหม่ที่มีศักยภาพ พลังของปฏิกิริยาไมโครดรอปเล็ตสามารถรวมเข้ากับระบบอัตโนมัติและเครื่องมือใหม่ ๆ เพื่อเพิ่มความเร็วอัตราการสังเคราะห์ให้ มากกว่าหนึ่งปฏิกิริยาต่อวินาที และ การวิเคราะห์ทางชีววิทยา น้อยกว่าวินาทีต่อตัวอย่าง
ด้วยวิธีนี้ ปรากฏการณ์เดียวกันที่อาจช่วยให้ต้นกำเนิดของโครงสร้างชีวิตเมื่อหลายพันล้านปีก่อนสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์พัฒนายาและวัสดุใหม่ ๆ ได้เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
บางที JRR โทลคีน ถูกต้องเมื่อเขาเขียนว่า: "เป็นการกระทำที่ขับเคลื่อนวงล้อของโลกบ่อยๆ: มือเล็ก ๆ ทำมันเพราะพวกเขาต้องทำในขณะที่ดวงตาของผู้ยิ่งใหญ่อยู่ที่อื่น"
ฉันเชื่อว่าความสำคัญของละอองขนาดเล็กเหล่านี้ใหญ่กว่าขนาดที่เล็กมาก
บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.
