水是生命之源？这存在一个悖论

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Nicolás Morato（普渡大学化学系博士生），编译：糖兽，题图来自：视觉中国

关于生命起源，有这样一个与水有关的悖论：生命需要水才能存活；但一个充满水的世界，是无法产生最早期生命所必需的生物分子的。

生命之源 vs 生命障碍  

水，无处不在，它覆盖了地球的大部分地表，也构成了人体约60%的体重。如果没有水，人类会在几天之内就失去生命。水分子具有非常独特的特性，这些特性使它们能够溶解化合物，并在我们的体内运送这些化合物，为我们的细胞提供结构，调节体温。

事实上，一切已知的维持着生命的基本化学反应，都离不开水的参与。然而，在早期地球上，当蛋白质、DNA等生物分子开始聚集在一起时，水实际上是一种障碍，其原因非常简单：水的存在阻碍了这些分子在形成时所需经历的“失水”过程。

以蛋白质为例，我们知道，蛋白质是由一系列氨基酸通过化学键链接在一起而形成的大分子。这些键是通过所谓的缩合反应形成的，这个反应在发生时，会伴随水分子的流失。这意味着，氨基酸需要变得“干燥”才能形成蛋白质。

缩合反应会通过失去一个水分子而使氨基酸结合。（图 / OpenStax / Wikimedia Commons）

按照现在对早期地球的推测，在生命出现之前，地球很可能是一个被水覆盖的水世界，那么这对制造生命所必需的蛋白质来说，就成了大问题。这就好比是想要风干全身，却无奈深处泳池里一样，早期地球的原始汤中的两种氨基酸，必须艰难地丢失一个水分子后才能结合在一起。这不仅仅是蛋白质在形成时会面临的问题，其他生命所必需的生物分子，如DNA、复合糖，也都依赖于缩合反应和失水来形成。

多年来，关于这个“水的悖论”，研究人员提出了许多可能的解答。但其中大部分都依赖于一些非常具体的能允许失水的情况。

生命的微滴  

现在，在一项新发表于《美国国家科学院院刊》的研究中，一组研究人员找到了一个更简单、更普遍的答案，或许可以揭开水的悖论之谜。他们发现，早期生物分子之所以得以形成，要归功于水本身——或者更准确地说，要归功于那些非常微小的水滴。

无论是现在，还是在生命起源之前的地球，水滴都无处不在。这让研究人员意识到，在这样一个被海浪和汹涌的潮汐覆盖的星球上，浪花和其他气溶胶中的微小水滴，很可能为第一批生物分子的聚集提供一个简单而富饶的场所。

微滴是通常直径在百万分之一米左右的非常微小的水滴。乍听之下，似乎很难想象这样的小液滴怎么可能解决水的悖论，直到你意识到它们所能创造的化学环境有多么特殊。

微滴有着非常大的表面积和体积之比，微滴越小，这个比值越大。这意味着构成它们的溶剂（比如水）和包围它们的介质（比如空气）的交界具有很大的空间。过去的研究表明，空气-水界面是一种独特的化学环境，它可以加速发生在微滴中的化学反应。

质谱仪下的微滴  

发表了这项新研究的团队已在质谱仪下对微滴进行了十年的研究。他们先前的工作表明，在微滴中的化学反应的反应速率，是普通溶液中的反应速率的100倍到百万倍。在这些小小的液滴里，原本需要一整天时间才能完成的反应，可以在几分之一秒内就完成。

在这项新的研究中，研究人员提出或许可以用微滴来解决水的悖论，因为微滴的空气-水界面不仅可以加速反应，而且还可以充当“干燥表面”，哪怕在水中也能促进产生生物分子所需的反应。

为了检验他们提出的这种可能性，研究人员将溶解在水微滴中的氨基酸喷向了质谱仪。他们发现，微滴可以使两种氨基酸成功地结合在一起。接着，他们开始加入更多的氨基酸，并将两束混合物喷射在一起，以模拟生命起源之前的碰撞。结果发现，这样做可以形成多达6种氨基酸的短肽链。

这样的实验结果表明，海洋喷雾或大气气溶胶等环境中的微滴，是早期地球上微型的反应堆。换句话说，微滴可能提供了一种化学介质，使得溶解在原始海洋中的那些简单而微小的化合物，得以形成基本的生命分子。

微滴的过去和未来  

研究人员认为，微滴化学或将帮助解决当前许多科学领域面临的挑战，例如药物研发。为了寻找一种潜在的新药，从事药物研发的科学家通常要合成数十万种化合物并对它们进行测试。通过将微滴与一些自动化和新工具相结合，有望大大提升合成化合物的速率。

也就是说，以这种方式，在数十亿年前可能帮助了生命起源的化学发生的微滴，现在也可以帮助科学家更快、更有效地开发新的药物和材料。相信这些小小的微滴的重要性，将远远大于它们渺不足道的体积。

#参考来源：

https://theconversation.com/water-was-both-essential-and-a-barrier-to-early-life-on-earth-microdroplets-are-one-potential-solution-to-this-paradox-192710

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2212642119

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Nicolás Morato（普渡大学化学系博士生），编译：糖兽