Miniaturedråber kunne løse en gåde om livets oprindelse

Det er en af ​​biokemiens store ironier:livet på Jorden kunne ikke være begyndt uden vand; alligevel forhindrer vand nogle kemiske reaktioner, der er nødvendige for selve livet.

Nu, forskere rapporterer i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences , de har fundet en roman, endda poetisk løsning på det såkaldte "vandproblem" i form af miniaturedråber af vand, dannet måske i tågen fra en brusende havbølge eller skyerne på himlen.

Vandproblemet relaterer sig primært til grundstoffet fosfor, som er knyttet til en række af livets molekyler gennem en proces kaldet fosforylering. "Du og jeg er i live på grund af fosfor og fosforylering, " sagde Richard Zare, en professor i kemi og en af ​​avisens seniorforfattere. "Du kan ikke leve uden fosfor."

Vandproblemet

Fosfor er en nødvendig ingrediens i mange livsvigtige molekyler, inklusive vores DNA, det er relativt RNA og i det molekyle, der udgør vores krops energilagringssystem, kaldet ATP. Men normalt kommer vand i vejen for at producere disse kemikalier. Det moderne liv har udviklet måder at omgå dette problem i form af enzymer, der hjælper fosforylering. Men hvordan primitive komponenter af disse molekyler blev dannet, før løsningerne udviklede sig, er fortsat et kontroversielt og til tider lidt mærkeligt emne. Blandt de foreslåede løsninger er meget reaktive former for udenjordisk fosfor og opvarmning drevet af naturligt forekommende nukleare reaktioner.

Mikrodråber løser phosphoryleringsproblemet på en relativt elegant måde, i høj grad fordi de har geometri på deres side. Det viser sig, at vand mest er et problem, når fosfaten flyder rundt inde i en vandpøl eller et primitivt hav, snarere end på dens overflade.

Mikrodråber er for det meste overflade. De optimerer perfekt behovet for liv i og omkring vand, men med tilstrækkeligt overfladeareal til, at fosforylering og andre reaktioner kan forekomme.

Faktisk, den store mængde overfladeareal, der leveres af mikrodråber, er allerede kendt for at være et fantastisk sted for kemi. Tidligere eksperimenter tyder på, at mikrodråber kan øge reaktionshastigheden for andre processer med tusind eller endda en million gange, afhængig af detaljerne i den reaktion, der undersøges.

Spontane molekyler

Mikrodråber virkede som en mulig løsning på vandproblemet. Men for at vise, at de virkelig virker, Zare og hans kolleger sprøjtede små dråber vand, fyldt med fosfor og andre kemikalier, ind i et kammer, hvor de resulterende forbindelser kunne analyseres. De fandt, at adskillige fosfatholdige molekyler opstod spontant på disse laboratoriefremstillede mikrodråber uden nogen katalysator for at få dem i gang. Disse molekyler omfattede sukkerfosfater, som er et skridt i hvordan vores celler skaber energi, og et af de molekyler, der udgør RNA, en DNA-slægtning, som primitive organismer bruger til at bære deres genetiske kode. Begge reaktioner er i bedste fald sjældne i større mængder vand.

Den observation, sammen med den kendsgerning, at mikrodråber er allestedsnærværende - fra skyer på himlen til tågen skabt af en brusende havbølge - antyder, at de kunne have spillet en rolle i at fremme liv på Jorden. I fremtiden, Zare håber at lede efter fosfater, der udgør proteiner og andre molekyler.

Selv hvis han kan producere disse forbindelser, imidlertid, Zare tror ikke på, at han og hans kolleger vil have fundet den eneste sande løsning på livets oprindelse. "Jeg tror ikke, vi kommer til at forstå præcis, hvordan livet begyndte på Jorden, " sagde Zare, som også er Marguerite Blake Wilbur-professor i naturvidenskab. I det væsentlige, han sagde, det er fordi ingen kan gå tilbage i tiden for at se, hvad der skete, da livet dukkede op, og der er ingen god fossilregistrering for dannelsen af ​​biomolekyler. "Men vi kunne forstå nogle af mulighederne, " han tilføjede.