Het is een van de grote ironieën van de biochemie:het leven op aarde zou niet zijn begonnen zonder water; toch belemmert water sommige chemische reacties die nodig zijn voor het leven zelf.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers rapporteren vandaag in Proceedings van de National Academy of Sciences , ze hebben een roman gevonden, zelfs poëtische oplossing voor het zogenaamde "waterprobleem" in de vorm van miniatuurdruppeltjes water, misschien gevormd in de mist van een verpletterende oceaangolf of de wolken in de lucht.

Het waterprobleem heeft voornamelijk betrekking op het element fosfor, die is gehecht aan een verscheidenheid aan levensmoleculen via een proces dat fosforylering wordt genoemd. "Jij en ik leven vanwege fosfor en fosforylering, " zei Richard Zare, een professor in de chemie en een van de senior auteurs van het artikel. "Je kunt geen leven hebben zonder fosfor."

Het waterprobleem

Fosfor is een noodzakelijk ingrediënt in veel moleculen die cruciaal zijn voor het leven, inclusief ons DNA, het is relatief RNA en in het molecuul dat het energieopslagsysteem van ons lichaam vormt, ATP genoemd. Maar normaal gesproken staat water de productie van die chemicaliën in de weg. Het moderne leven heeft manieren ontwikkeld om dat probleem te omzeilen in de vorm van enzymen die de fosforylering helpen. Maar hoe primitieve componenten van deze moleculen zich vormden voordat de tijdelijke oplossingen evolueerden, blijft een controversieel en soms enigszins excentriek onderwerp. Tot de voorgestelde oplossingen behoren zeer reactieve vormen van buitenaards fosfor en verwarming aangedreven door natuurlijk voorkomende kernreacties.

Microdruppeltjes lossen het fosforyleringsprobleem op een relatief elegante manier op, voor een groot deel omdat ze geometrie aan hun kant hebben. Het blijkt dat water meestal een probleem is wanneer het fosfaat ronddrijft in een plas water of een primitieve oceaan, in plaats van aan de oppervlakte.

Microdruppels zijn meestal oppervlakte. Ze optimaliseren perfect de behoefte aan leven in en rond het water, maar met voldoende oppervlakte om fosforylering en andere reacties te laten plaatsvinden.

In feite, de grote hoeveelheid oppervlakte die door microdruppeltjes wordt geleverd, staat al bekend als een geweldige plek voor chemie. Eerdere experimenten suggereren dat microdruppels de reactiesnelheid voor andere processen duizend of zelfs een miljoen keer kunnen verhogen, afhankelijk van de details van de reactie die wordt bestudeerd.

Spontane moleculen

Microdruppeltjes leken een mogelijke oplossing voor het waterprobleem. Maar om te laten zien dat ze echt werken, Zare en zijn collega's sproeiden kleine druppeltjes water, doorspekt met fosfor en andere chemicaliën, in een kamer waar de resulterende verbindingen konden worden geanalyseerd. Ze ontdekten dat verschillende fosfaatbevattende moleculen spontaan op deze in het laboratorium gemaakte microdruppels voorkwamen zonder enige katalysator om ze op gang te brengen. Die moleculen omvatten suikerfosfaten, die een stap zijn in hoe onze cellen energie creëren, en een van de moleculen waaruit RNA bestaat, een DNA-familielid dat primitieve organismen gebruiken om hun genetische code te dragen. Beide reacties zijn op zijn best zeldzaam in grotere hoeveelheden water.

Die observatie, samen met het feit dat microdruppels alomtegenwoordig zijn - van wolken in de lucht tot de mist gecreëerd door een verpletterende oceaangolf - suggereert dat ze een rol hadden kunnen spelen bij het bevorderen van het leven op aarde. In de toekomst, Zare hoopt te zoeken naar fosfaten waaruit eiwitten en andere moleculen zijn opgebouwd.

Zelfs als hij die verbindingen kan produceren, echter, Zare gelooft niet dat hij en zijn collega's de enige echte oplossing voor de oorsprong van het leven hebben gevonden. "Ik denk niet dat we precies zullen begrijpen hoe het leven op aarde begon, " zei Zare, die ook de Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science is. Eigenlijk, hij zei, dat komt omdat niemand terug in de tijd kan gaan om te zien wat er gebeurde toen het leven ontstond en er geen goede fossielen zijn voor de vorming van biomoleculen. "Maar we konden sommige van de mogelijkheden begrijpen, " hij voegde toe.