Đó là một nghịch lý: Sự sống cần nước để tồn tại, nhưng một thế giới đầy nước không thể tạo ra các phân tử sinh học cần thiết cho sự sống ban đầu. Hoặc các nhà nghiên cứu đã nghĩ như vậy.
Nước ở khắp mọi nơi. Hầu hết cơ thể con người được làm bằng nó, phần lớn hành tinh Trái đất được bao phủ bởi nó, và con người không thể tồn tại nhiều hơn một vài ngày không uống nó. Phân tử nước có đặc điểm độc đáo cho phép chúng hòa tan và vận chuyển các hợp chất trong cơ thể bạn, cung cấp cấu trúc cho tế bào và điều chỉnh nhiệt độ của bạn. Trên thực tế, các phản ứng hóa học cơ bản để tạo ra sự sống như chúng ta biết là cần nước, quang hợp là một ví dụ.
Tuy nhiên, khi các phân tử sinh học đầu tiên như protein và DNA bắt đầu kết hợp với nhau trong giai đoạn đầu của hành tinh Trái đất, nước thực sự là một rào cản đối với sự sống.
Lý do tại sao lại đơn giản một cách đáng ngạc nhiên: Sự hiện diện của nước ngăn cản các hợp chất hóa học mất nước. Lấy ví dụ, protein, là một trong những lớp chính của các phân tử sinh học cấu tạo nên cơ thể bạn. Về bản chất, protein là các chuỗi axit amin liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học. Những liên kết này được hình thành thông qua một phản ứng ngưng tụ dẫn đến mất một phân tử nước. Về cơ bản, các axit amin cần phải “khô” để tạo thành protein.
Xét rằng Trái đất trước khi có sự sống là bao phủ trong nước, đây là một Vấn đề lớn để tạo ra các protein cần thiết cho sự sống. Giống như cố gắng làm khô bên trong bể bơi, hai axit amin sẽ rất khó mất nước để kết hợp với nhau trong súp nguyên thủy của Trái đất sơ khai. Và không chỉ protein phải đối mặt với vấn đề này khi có nước: Các phân tử sinh học khác cần thiết cho sự sống, bao gồm DNA và đường phức, cũng dựa vào phản ứng ngưng tụ và mất nước để hình thành.
Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều giải pháp cho “nghịch lý nước” này. Hầu hết chúng dựa trên các kịch bản rất cụ thể trên Trái đất sơ khai có thể cho phép loại bỏ nước. Bao gồm các vũng nước khô, bề mặt khoáng sản, mùa xuân nóng và lỗ thông thủy nhiệt, trong số những người khác. Các giải pháp này, mặc dù hợp lý, đòi hỏi các điều kiện địa chất và hóa học cụ thể mà có thể không phổ biến.
Trong của chúng tôi nghiên cứu gần đây, đồng nghiệp của tôi và tôi đã tìm ra một giải pháp đơn giản và tổng quát hơn cho nghịch lý nước. Trớ trêu thay, nó có thể là chính nước - hay nói chính xác hơn là những giọt nước rất nhỏ - đã cho phép hình thành các phân tử sinh học ban đầu.
Tại sao Microdroplets?
Các giọt nước có ở khắp mọi nơi, cả trong thế giới hiện đại và đặc biệt là trong thời kỳ tiền sinh học (hoặc tiền sinh học) trên Trái đất. Trong một hành tinh bị bao phủ bởi sóng vỗ và thủy triều hoành hành, những giọt nước nhỏ trong bình xịt biển và các bình xịt khác sẽ cung cấp một cách hợp lý một nơi đơn giản và phong phú cho các phân tử sinh học đầu tiên được lắp ráp.
Những giọt nước siêu nhỏ — thường là những giọt rất nhỏ có đường kính khoảng một phần triệu mét, nhỏ hơn nhiều so với đường kính của tơ nhện— Thoạt đầu dường như không giải quyết được nghịch lý nước, cho đến khi bạn xem xét các môi trường hóa học rất cụ thể mà chúng tạo ra.
Microdroplet có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích đáng kể càng lớn thì giọt càng nhỏ. Điều này có nghĩa là có một không gian đáng kể nơi dung môi tạo ra chúng (trong trường hợp này là nước) và môi trường mà chúng được bao quanh (trong trường hợp này là không khí) gặp nhau.
Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng giao diện không khí và nước là một môi trường hóa học độc đáo. Hóa học của các giao diện microdroplet này bị chi phối bởi điện trường lớn, giải độc một phần nơi các phân tử được bao quanh một phần bởi nước, phân tử phản ứng caovà tính axit rất cao. Tất cả những yếu tố này cho phép các microdroplet đẩy nhanh các phản ứng hóa học xảy ra trong chúng.
Phòng thí nghiệm của chúng tôi đã nghiên cứu microdroplet cho một thập kỷvà công trình trước đây của chúng tôi đã chỉ ra cách có thể tăng tốc độ của các phản ứng hóa học thông thường lên đến một triệu lần nhanh hơn trong microdroplet. Các phản ứng mà lẽ ra phải mất cả ngày giờ có thể hoàn thành chỉ trong một phần giây bằng cách sử dụng những giọt nhỏ này.
In công việc gần đây của chúng tôi, chúng tôi đề xuất rằng các vi hạt có thể là một giải pháp cho nghịch lý nước bởi vì giao diện không khí và nước của chúng không chỉ tăng tốc các phản ứng mà còn hoạt động như một “bề mặt làm khô” tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng cần thiết để tạo ra các phân tử sinh học bất chấp sự có mặt của nước.
Chúng tôi đã kiểm tra lý thuyết này bằng cách phun các axit amin hòa tan trong các giọt nước nhỏ theo hướng khối quang phổ kế, một công cụ có thể được sử dụng để phân tích các sản phẩm của phản ứng hóa học. Chúng tôi phát hiện ra rằng hai axit amin có thể kết hợp thành công với nhau khi có nước thông qua các vi hạt nhỏ. Khi chúng tôi thêm nhiều axit amin hơn và va chạm hai lần phun của hỗn hợp này với nhau, bắt chước những làn sóng va chạm trong thế giới tiền sinh học, chúng tôi phát hiện ra rằng điều này có thể tạo thành chuỗi peptit ngắn gồm tối đa sáu axit amin.
Những phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng các hạt vi hạt nước trong các môi trường như phun nước biển hoặc aerosol trong khí quyển là những vi phản ứng cơ bản trong thời kỳ đầu của Trái đất. Nói cách khác, các vi hạt nhỏ có thể đã cung cấp một môi trường hóa học cho phép các phân tử cơ bản của sự sống hình thành từ các hợp chất nhỏ, đơn giản hòa tan trong đại dương nguyên thủy rộng lớn bao phủ hành tinh.
Microdroplets Quá khứ và Tương lai
Hóa học của các vi hạt có thể hữu ích trong việc giải quyết các thách thức hiện tại trên nhiều lĩnh vực khoa học.
Ví dụ, việc phát hiện ra ma túy đòi hỏi phải tổng hợp và thử nghiệm hàng trăm nghìn hợp chất để tìm ra một loại thuốc mới tiềm năng. Sức mạnh của phản ứng microdroplet có thể được tích hợp với tự động hóa và các công cụ mới để tăng tốc độ tổng hợp để nhiều hơn một phản ứng mỗi giây cũng như phân tích sinh học dưới một giây cho mỗi mẫu.
Theo cách này, hiện tượng tương tự có thể đã hỗ trợ nguồn gốc của các khối xây dựng sự sống cách đây hàng tỷ năm có thể giúp các nhà khoa học phát triển các loại thuốc và vật liệu mới nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Có lẽ J. R. R. Tolkien đã đúng khi ông viết: “Đó là lẽ đương nhiên của những việc làm chuyển động bánh xe của thế giới: những bàn tay nhỏ bé làm vì họ phải làm, trong khi con mắt của những người vĩ đại ở nơi khác”.
Tôi tin rằng tầm quan trọng của những giọt nhỏ này lớn hơn rất nhiều so với kích thước nhỏ bé của chúng.
Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.
