Woda była zarówno niezbędna, jak i stanowiła barierę dla wczesnego życia na Ziemi – mikrokropelki są jednym z potencjalnych rozwiązań tego paradoksu

Nicolás M. Morato

Woda była zarówno niezbędna, jak i stanowiła barierę dla wczesnego życia na Ziemi – mikrokropelki są jednym z potencjalnych rozwiązań tego paradoksu

Wpis jest tłumaczeniem artykułu “Water was both essential and a barrier to early life on Earth – microdroplets are one potential solution to this paradox”, autor: ; The Conversation, 02-11-2022; na licencji Creative Commons, tłumaczenie Arkadiusz Polak, zdjęcie: Pete GodfreyUnsplash.

To paradoks: życie potrzebuje wody, aby przetrwać, ale świat pełen wody nie może generować biomolekuł, które byłyby niezbędne dla wczesnego życia. A przynajmniej tak myśleli naukowcy.

Woda jest wszędzie. Większość ludzkiego ciała jest z niej zbudowana, duża część planety Ziemia jest nią pokryta, a ludzie nie mogą przeżyć więcej niż kilka dni bez jej picia. Cząsteczki wody mają unikalne właściwości, które pozwalają im rozpuszczać i transportować związki w twoim ciele, zapewniają strukturę twoim komórkom i regulują twoją temperaturę. W rzeczywistości podstawowe reakcje chemiczne, które umożliwiają życie, jakie znamy, wymagają wody, a jednym z przykładów jest fotosynteza.

Jednak, kiedy pierwsze biomolekuły, takie jak białka i DNA, zaczęły się łączyć we wczesnych etapach istnienia planety Ziemia, woda była właściwie barierą dla życia.

Powód tego jest zaskakująco prosty: Obecność wody zapobiega utracie wody przez związki chemiczne. Weźmy na przykład białka, które są jedną z głównych klas cząsteczek biologicznych tworzących nasze ciało. Białka to w istocie łańcuchy aminokwasów połączone ze sobą wiązaniami chemicznymi. Wiązania te powstają w wyniku reakcji kondensacji, która powoduje utratę cząsteczki wody. Zasadniczo, aminokwasy muszą zostać “wysuszone”, aby utworzyć białko.

Reakcje kondensacji łączą aminokwasy poprzez utratę cząsteczki wody.
OpenStax, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

Biorąc pod uwagę, że Ziemia przed powstaniem życia była pokryta wodą, był to duży problem dla tworzenia białek niezbędnych do istnienia życia. Podobnie jak w przypadku próby wysuszenia się w basenie, dwa aminokwasy miałyby trudność z utratą wody, aby połączyć się w pierwotnej zupie wczesnej Ziemi. I nie tylko białka napotykały ten problem w obecności wody: Inne biomolekuły niezbędne do życia, w tym DNA i złożone cukry, również polegają na reakcjach kondensacji i utracie wody w celu utworzenia.

Przez lata badacze zaproponowali wiele rozwiązań tego “paradoksu wody”. Większość z nich opiera się na bardzo konkretnych scenariuszach na wczesnej Ziemi, które mogły pozwolić na usunięcie wody. Należą do nich między innymi wysychające kałuże, powierzchnie mineralne, gorące źródła i kominy hydrotermalne. Rozwiązania te, choć prawdopodobne, wymagają szczególnych warunków geologicznych i chemicznych, które mogły nie być powszechne.

W naszym ostatnim badaniu, ja wraz z kolegami znaleźliśmy prostsze i bardziej ogólne rozwiązanie paradoksu wody. Jak na ironię, to właśnie woda – a dokładniej bardzo małe kropelki wody – mogła umożliwić powstanie wczesnych biomolekuł.

Dlaczego mikrokrople?

Kropelki wody są wszędzie, zarówno we współczesnym świecie, jak i szczególnie w czasach prebiotycznych (lub przed powstaniem życia) na Ziemi. Na planecie pokrytej rozbijającymi się falami i szalejącymi pływami, małe kropelki wody w aerozolu morskim i innych aerozolach prawdopodobnie stanowiłyby proste i obfite miejsce do gromadzenia się pierwszych biomolekuł.

Mikrokropelki wody – zazwyczaj bardzo małe kropelki o średnicy około milionowej części metra, znacznie mniejsze od średnicy pajęczej nici – mogą na początku nie rozwiązywać paradoksu wody, dopóki nie weźmie się pod uwagę bardzo szczególnego środowiska chemicznego, jakie tworzą.

Mikrokrople mają znaczny stosunek powierzchni do objętości, który jest tym większy, im mniejsza jest kropla. Oznacza to, że istnieje znaczna przestrzeń, w której spotykają się rozpuszczalnik, z którego są zbudowane (w tym przypadku woda) i medium, którym są otoczone (w tym przypadku powietrze).

Przez lata badacze wykazali, że interfejs powietrze-woda jest unikalnym środowiskiem chemicznym. Chemia tych mikrokropelkowych interfejsów jest zdominowana przez duże pola elektryczne, częściową solwatację, gdzie cząsteczki są częściowo otoczone przez wodę, wysoce reaktywne cząsteczki i bardzo wysoką kwasowość. Wszystkie te czynniki pozwalają mikrokropelkom na przyspieszenie reakcji chemicznych, które w nich zachodzą.

Nasze laboratorium bada mikrokropelki od dekady, a nasze wcześniejsze prace pokazały, jak tempo zwykłych reakcji chemicznych może być przyspieszone do miliona razy w mikrokropelkach. Reakcje, które trwałyby cały dzień, mogą być teraz zakończone w ułamku sekundy przy użyciu tych małych kropel.

W naszej ostatniej pracy zaproponowaliśmy, że mikrokropelki mogą być rozwiązaniem paradoksu wody, ponieważ ich interfejs powietrze-woda nie tylko przyspiesza reakcje, ale także działa jak “powierzchnia susząca”, która ułatwia reakcje potrzebne do tworzenia biomolekuł pomimo obecności wody.

Przetestowaliśmy tę teorię, rozpylając aminokwasy rozpuszczone w mikrokroplach wody w kierunku spektrometru masowego, urządzenia, które może być używane do analizy produktów reakcji chemicznej. Stwierdziliśmy, że dwa aminokwasy mogą z powodzeniem łączyć się ze sobą w obecności wody poprzez mikrokropelki. Kiedy dodaliśmy więcej aminokwasów i zderzyliśmy ze sobą dwa rozpylacze tej mieszaniny, naśladując rozbijające się fale w świecie prebiotycznym, odkryliśmy, że może to tworzyć krótkie łańcuchy peptydowe do sześciu aminokwasów.

Nasze odkrycia sugerują, że mikrokropelki wody w miejscach takich jak aerozol morski lub atmosferyczny były podstawowymi mikroreaktorami na wczesnej Ziemi. Innymi słowy, mikrokropelki mogły stanowić chemiczne medium, które pozwalało na tworzenie się podstawowych cząsteczek życia z prostych, małych związków rozpuszczonych w ogromnym pierwotnym oceanie, który pokrywał naszą planetę.

Mikrokrople wody mogły zapewnić środowisko chemiczne niezbędne do powstania życia.
Zdjęcie: Andy Feliciotti on Unsplash

Mikrokropelki – przeszłość i przyszłość

Chemia mikrokropel może być pomocna w rozwiązywaniu bieżących problemów w wielu dziedzinach nauki.

Na przykład odkrywanie leków wymaga syntezy i testowania setek tysięcy związków w celu znalezienia potencjalnego nowego leku. Moc reakcji mikrokropel można połączyć z automatyzacją i nowymi narzędziami, aby przyspieszyć tempo syntezy do ponad jednej reakcji na sekundę, a także analizę biologiczną do mniej niż sekundy na próbkę.

W ten sposób to samo zjawisko, które mogło pomóc w powstaniu elementów składowych życia miliardy lat temu, może teraz pomóc naukowcom w szybszym i bardziej efektywnym opracowywaniu nowych leków i materiałów.

Być może J.R.R. Tolkien miał rację, kiedy napisał: ” Jednak taki jest często bieg czynów, które poruszają kołami świata: małe ręce robią je, ponieważ muszą, podczas gdy oczy wielkich są gdzie indziej.”

Wierzę, że znaczenie tych małych kropel jest o wiele większe niż ich maleńki rozmiar.

The Conversation

Nicolás M. Morato – PhD Candidate in Chemistry, Purdue University
Obszary zainteresowań: spektrometria mas, jonizacja w otoczeniu (np. DESI, paper-spray, touch-spray), bioanaliza, chemia kryminalistyczna, analiza high throughput.

Type at least 1 character to search
Słuchaj
Obserwuj
Twitter:

Aurélie Bröckerhoff @AMBrockerhoff i Mahmoud Soliman opowiadają o Masafer Yatta - ostatnim takim miejscu, okupowanym przez #Izrael, gdzie jaskinie są wykorzystywane jako domy przez palestyńską społeczność, która nie może żyć w pokoju.

https://naukowo.net/2022/11/14/palestynskie-terytorium-ktore-izrael-zamienil-w-strefe-ostrzalu-poznajcie-zamieszkujacych-jaskinie-mieszkancow-masafer-yatta/

#nauka #Palestyna

Czy szczury tańczą do rytmu muzyki?
Jak rośnie szczęście po otrzymaniu 10 000$?
Gdzie patrzą się ryby podczas pływania?
Czy nowa terapia pozwoli chodzić po paraliżu?

Zapraszam na 68. odcinek @PodkastNaukowo !

#nauka #naukowo #podkast

https://youtu.be/0VH3_fdgpXk

Obecność wody to spory problem dla chcącego powstać życia, które potrzebuje suchego miejsca, aby zaistnieć.
Czy rozwiązaniem tego problemu może być #woda?
@NicolasMorato pokazuje jak mikrokrople mogły przyczynić się do powstania życia na Ziemi.

https://naukowo.net/2022/11/10/woda-byla-zarowno-niezbedna-jak-i-stanowila-bariere-dla-wczesnego-zycia-na-ziemi-mikrokropelki-sa-jednym-z-potencjalnych-rozwiazan-tego-paradoksu/
#nauka