Det er et paradoks: Liv har brug for vand for at overleve. Men en verden fuld af vand kan på den anden side ikke generere de biomolekyler, der var afgørende for tidligt liv. Det vil sige, det troede forskerne i hvert fald.
Vand er overalt. Størstedelen af menneskekroppen består af vand, store dele af vores klode er dækket vand, og mennesker kan ikke overleve mere end et par dage uden at drikke vand.
Vandmolekyler har unikke egenskaber, der gør det muligt for dem at opløse og transportere forbindelser gennem vores krop, give struktur til vores celler og regulere vores temperatur.
Faktisk kræver de grundlæggende kemiske reaktioner, der muliggør liv, som vi kender det, vand – et eksempel er fotosyntese.
Vand var en forhindring for liv
Men da de første biomolekyler som proteiner og DNA begyndte at samles i de tidlige stadier af planeten Jorden, var vand faktisk en forhindring for liv.
Årsagen er overraskende enkel: Tilstedeværelsen af vand forhindrer kemiske forbindelser i at miste vand.
Tag for eksempel proteiner, som er en af hovedklasserne af biologiske molekyler, der udgør menneskekroppen. Proteiner er i bund og grund kæder af aminosyrer forbundet med kemiske bindinger.
Disse bindinger dannes gennem en kondensationsreaktion, der resulterer i tab af et vandmolekyle. Grundlæggende skal aminosyrerne være 'tørre' for at danne et protein.
Før liv opstod, var Jorden dækket af vand, hvilket i dén grad stod i vejen for at skabe proteinerne, som er essentielle for liv.
Det kan sammenlignes med at forsøge ikke at blive våd i en swimmingpool: To aminosyrer vil have haft meget svært ved at slippe af med vandet for at kombinere til ét enkelt molekyle i Jordens oprindelige ursuppe.
\ Om Forskerzonen
Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.
Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra vores partnere: Lundbeckfonden, Aalborg Universitet, Roskilde Universitet og Syddansk Universitet og Region Hovedstaden.
Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af partnerne. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.
'Vandparadokset' havde flere foreslåede forklaringer
Og det var ikke kun proteinerne, der stod over for dette problem med vand: Andre biomolekyler, der er essentielle for liv, blandt andet DNA og komplekse sukkerarter, er også afhængige af kondensationsreaktioner og tab af vand for at kunne dannes.
Gennem årene har forskere foreslået mange forklaringer på dette 'vandparadoks'. De fleste af dem er afhængige af meget specifikke scenarier på Jorden, der muligvis kunne forårsage fjernelse af vand.
Løsningerne omfatter blandt andet udtørrende vandpytter, mineralske overflader, varme kildevæld og hydrotermiske væld. Selvom disse forklaringer er plausible, kræver de særlige geologiske og kemiske forhold, som måske ikke har været almindeligt forekommende.
I vores nylige studie fandt mine kolleger og jeg en enklere og mere overordnet løsning på vandparadokset.
Ironisk nok var det muligvis vandet selv – eller mere præcist meget små vanddråber – der gjorde det muligt for tidlige biomolekyler at dannes.
\ Læs mere
Hvorfor mikrodråber?
Vanddråber er overalt, både i vores nuværende verden og især under den før-biotiske (eller før-liv) Jorden.
På en klode dækket af brusende bølger og voldsomt tidevand ville de små vanddråber i havsprøjt og andre aerosoler sandsynligvis levere et enkelt og rigeligt sted, hvor de første biomolekyler kunne samles.
Mikrodråber af vand – typisk meget små dråber med en diameter på omkring en milliontedel af en meter, langt mindre end diameteren på de meget fibre fine i et edderkoppespind – ser måske ikke ved første øjekast ud til at løse vandparadokset – men det ændrer sig, når vi tager højde for det helt særlige kemiske miljø, de skaber.
Mikrodråber har en betydelig grænseflade mellem overfladeareal og volumen, der bliver større, desto mindre dråben er.
Det betyder, at der er en signifikant overflade, hvor stoffet, dråberne består af (i dette tilfælde vand), og det medium, de er omgivet, af (i dette tilfælde luft) mødes.
Unikt kemisk miljø
Gennem årene har forskere vist, at luft-vand-grænsefladen er et unikt kemisk miljø.
Kemien af mikrodråbernes grænseflader er domineret af store elektriske felter, delvis solvatisering (i kemien en proces, hvor molekyler eller ioner af et stof ved opløsning bliver bundet til et antal af opløsningsmidlets molekyler, red.), hvor molekyler er delvist omgivet af vand, meget reaktive molekyler og meget høj surhedsgrad.
Alle disse faktorer gør det muligt for mikrodråber at fremskynde de kemiske reaktioner, der opstår i dem.
Vores laboratorium har studeret mikrodråber i 10 år, og vores tidligere arbejde har vist, hvordan hastigheden af almindelige kemiske reaktioner kan fremskyndes op til en million gange hurtigere i mikrodråber.
Reaktioner, der ville have taget en hel dag, kunne nu være fuldstændige på blot en brøkdel af et sekund ved at bruge små dråber.
I vores seneste forskningsarbejde foreslog vi, at mikrodråber kan være en løsning på vandparadokset, fordi deres luft-vand-grænseflade ikke kun accelererer reaktioner, men også fungerer som en 'tørrende overflade', der letter de reaktioner, der er nødvendige for at skabe biomolekyler på trods af tilstedeværelsen af vand.
\ Læs mere
Fundamentale mikroreaktorer i Jordens tidlige historie
Vi testede denne teori ved at sprøjte aminosyrer opløst i mikrodråber af vand mod et massespektrometer - et instrument, der kan bruges til at analysere produkterne af en kemisk reaktion.
Vi fandt, at to aminosyrer kan kombinere til én i nærvær af vand via mikrodråber.
Da vi tilføjede flere aminosyrer og kolliderede to sprays af denne blanding sammen, og efterlignede brusende bølger i den før-biotiske verden, fandt vi, at det kan skabe korte peptidkæder på op til seks aminosyrer.
Vores resultater indikerer, at vanddråber i omgivelser som havspray eller atmosfæriske aerosoler var fundamentale mikroreaktorer i Jordens tidlige historie.
Med andre ord leverede mikrodråber muligvis et kemisk medium, der gjorde det muligt for livets grundlæggende molekyler at dannes ud fra de simple, små forbindelser opløst i det enorme urhav, der dækkede planeten.
Forhistoriske og fremtidige mikrodråber
Mikrodråbernes kemi kan være nyttig til at tackle aktuelle udfordringer på tværs af mange videnskabelige områder.
Udvikling af lægemidler kræver for eksempel syntetisering og test af hundredtusindvis af forbindelser for at finde et potentielt nyt lægemiddel.
Styrken ved mikrodråbereaktionerne kan integreres med automatisering og nye redskaber til at fremskynde syntesehastigheder til mere end én reaktion per sekund samt biologisk analyse til mindre end et sekund per prøve.
På denne måde kan det samme fænomen, som kunne have hjulpet med oprindelsen af livets byggesten for milliarder af år siden, nu hjælpe forskerne med at udvikle ny medicin og materialer hurtigere og mere effektivt.
Måske havde J.R.R. Tolkien ret, da han skrev: »Men således er det ofte med de gerninger, der får verdens hjul til at dreje rundt: Det er små hænder, der udfører dem, fordi de er nødt til det, mens de stores øjne ser andre steder hen«.
Jeg tror, at de små dråbers vigtighed er langt større end deres ringe størrelse.
Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.
\ Læs mere
