Это парадокс: жизнь нуждается в воде, чтобы развиваться, но мир, полный воды, не может генерировать биомолекулы, которые были бы необходимы для ранней жизни. Или,возможно, так думали исследователи.
Вода везде. Большая часть человеческого тела состоит из неё, большая часть планеты Земля покрыта водой, и люди не могут прожить больше пары дней, не употребляя её.
Молекулы воды обладают уникальными характеристиками, которые позволяют им растворять и транспортировать соединения через тело, обеспечивать структуру клеток и регулировать температуру.
На самом деле, основные химические реакции, которые обеспечивают жизнь в том виде, в каком мы её знаем, требуют воды, фотосинтез является одним из примеров. Однако, когда первые биомолекулы, такие как белки и ДНК, начали собираться вместе на ранних стадиях существования планеты Земля, вода фактически была барьером для жизни. Причина удивительно проста: присутствие воды предотвращает потерю воды химическими соединениями.
Возьмём, к примеру, белки, которые являются одним из основных классов биологических молекул, из которых состоит тело человека. Белки, по сути, представляют собой цепочки аминокислот, соединённых между собой химическими связями. Эти связи образуются в результате реакции конденсации, которая приводит к потере молекулы воды. По сути, аминокислоты должны стать «сухими», чтобы сформировать белок. Учитывая, что до возникновения жизни Земля была покрыта водой, создание необходимых для жизни белков было большой проблемой. Это похоже на попытку обсохнуть в бассейне: две аминокислоты с большим трудом теряли воду, чтобы соединиться в первозданном бульоне ранней Земли.
И не только белки столкнулись с этой проблемой в присутствии воды: другие биомолекулы, необходимые для жизни, включая ДНК и сложные сахара, также зависят от реакций конденсации и потери воды при формировании.
За прошедшие годы исследователи предложили множество решений этого «водного парадокса». Большинство из них опираются на очень специфические сценарии ранней Земли, которые могли позволить удалить воду. К ним относятся, среди прочего, высыхающие лужи, минеральные поверхности, горячие источники и гидротермальные источники. Эти решения, хотя и правдоподобные, требуют особых геологических и химических условий, которые, возможно, не были обычным явлением.
В недавнем исследовании Николас М. Морато, кандидат химических наук из Университета Пердью с коллегами нашли более простое и более общее решение водного парадокса. По иронии судьбы, это могла быть сама вода — или, если быть более точным, очень маленькие капли воды — которые позволили сформироваться ранним биомолекулам.
Почему микрокапли
Капли воды повсюду, как в современном мире, так и особенно на добиотической (или доживой) Земле. На планете, покрытой разбивающимися друг об друга волнами и бушующими приливами, маленькие капельки воды в морских брызгах и другие аэрозоли, вероятно, обеспечили простое и изобилующее место для сборки первых биомолекул.
Микрокапли воды — как правило, очень маленькие капли диаметром около одной миллионной метра, что намного меньше диаметра паучьего шёлка — поначалу может показаться неразрешимым водным парадоксом, если не принять во внимание особую химическую среду, которую они создают. Микрокапли имеют существенное отношение площади поверхности к объёму, которое тем больше, чем меньше капля. Это означает, что существует значительное пространство, где встречаются растворитель, из которого они сделаны (в данном случае вода) и среда, которой они окружены (в данном случае воздух).
Фото: theconversation.com
За прошедшие годы исследователи показали, что граница раздела воздух-вода представляет собой уникальную химическую среду. В химическом составе этих поверхностей раздела микрокапель преобладают сильные электрические поля, частичная сольватация, когда молекулы частично окружены водой, высокореактивные молекулы и очень высокая кислотность. Все эти факторы позволяют микрокаплям ускорять протекающие в них химические реакции.
Лаборатория Университета Пердью занимается изучением микрокапель в течение десяти лет, и предыдущая работа исследователей показала, как скорость обычных химических реакций может быть увеличена в миллион раз в микрокаплях. Реакции, которые заняли бы целый день, теперь могли быть завершены всего за доли секунды с использованием этих маленьких капель. В недавней работе Морато с соавторами предположили, что микрокапли могут быть решением водного парадокса, потому что их поверхность раздела воздух-вода не только ускоряет реакции, но и действует как «высыхающая поверхность», которая облегчает реакции, необходимые для создания биомолекул, несмотря на присутствие воды.
Учёные проверили эту теорию, распылив аминокислоты, растворённые в микрокаплях воды, на масс-спектрометр, прибор, который можно использовать для анализа продуктов химической реакции. Они обнаружили, что две аминокислоты могут успешно соединяться вместе в присутствии воды через микрокапли. Когда исследоватеди добавили больше аминокислот и столкнули две струи этой смеси вместе, имитируя грохот волн в пребиотическом мире, то обнаружили, что это может образовывать короткие пептидные цепи до шести аминокислот.
Результаты данного исследования показывают, что микрокапли воды в таких условиях, как морские брызги или атмосферные аэрозоли, были фундаментальными микрореакторами на ранней Земле.
Другими словами, микрокапли, возможно, обеспечили химическую среду, которая позволила сформироваться основным молекулам жизни из простых, небольших соединений, растворённых в огромном первозданном океане, покрывавшем планету.
Микрокапли: прошлое и будущее
Химия микрокапель может помочь в решении текущих проблем во многих научных областях. Открытие лекарств, например, требует синтеза и тестирования сотен тысяч соединений, чтобы найти потенциальное новое лекарство. Мощь микрокапельных реакций может быть интегрирована с автоматизацией и новыми инструментами для увеличения скорости синтеза до более чем одной реакции в секунду, а также биологического анализа до менее чем секунды на образец.
Таким образом, то же самое явление, которое могло способствовать возникновению строительных блоков жизни миллиарды лет назад, теперь может помочь учёным быстрее и эффективнее разрабатывать новые лекарства и материалы.
Возможно, Дж.Р.Р. Толкин был прав, когда писал: «Слабые не раз преображали мир, мужественно и честно выполняя свой долг, когда у сильных не хватало сил». Есть вероятность того, что важность этих маленьких капель намного больше, чем их крошечный размер.