Det är en av biokemins stora ironier:livet på jorden kunde inte ha börjat utan vatten; ändå hindrar vatten vissa kemiska reaktioner som är nödvändiga för själva livet.

Nu, forskare rapporterar idag i Proceedings of the National Academy of Sciences , de har hittat en roman, till och med poetisk lösning på det så kallade "vattenproblemet" i form av små vattendroppar, formad kanske i dimman av en kraschande havsvåg eller molnen på himlen.

Vattenproblemet hänför sig främst till grundämnet fosfor, som är fäst vid en mängd olika livets molekyler genom en process som kallas fosforylering. "Du och jag lever på grund av fosfor och fosforylering, sa Richard Zare, en professor i kemi och en av tidningens seniorförfattare. "Du kan inte leva utan fosfor."

Vattenproblemet

Fosfor är en nödvändig ingrediens i många molekyler som är kritiska för livet, inklusive vårt DNA, det är relativt RNA och i molekylen som utgör vår kropps energilagringssystem, kallas ATP. Men vanligtvis står vatten i vägen för att producera dessa kemikalier. Det moderna livet har utvecklat sätt att kringgå det problemet i form av enzymer som hjälper fosforyleringen. Men hur primitiva komponenter i dessa molekyler bildades innan lösningarna utvecklades är fortfarande ett kontroversiellt och ibland lite udda ämne. Bland de föreslagna lösningarna finns mycket reaktiva former av utomjordisk fosfor och uppvärmning som drivs av naturligt förekommande kärnreaktioner.

Mikrodroppar löser fosforyleringsproblemet på ett relativt elegant sätt, till stor del för att de har geometri på sin sida. Det visar sig att vatten mest är ett problem när fosfatet flyter runt i en vattenpöl eller ett primitivt hav, snarare än på dess yta.

Mikrodroppar är mestadels yta. De optimerar perfekt behovet av att liv bildas i och runt vatten, men med tillräcklig yta för att fosforylering och andra reaktioner ska inträffa.

Faktiskt, den stora mängden yta som tillhandahålls av mikrodroppar är redan känt för att vara en bra plats för kemi. Tidigare experiment tyder på att mikrodroppar kan öka reaktionshastigheterna för andra processer med tusen eller till och med en miljon gånger, beroende på detaljerna i reaktionen som studeras.

Spontana molekyler

Mikrodroppar verkade vara en möjlig lösning på vattenproblemet. Men för att visa att de verkligen fungerar, Zare och hans kollegor sprutade små droppar vatten, spetsad med fosfor och andra kemikalier, in i en kammare där de resulterande föreningarna kunde analyseras. De fann att flera fosfathaltiga molekyler förekom spontant på dessa labbtillverkade mikrodroppar utan någon katalysator för att få igång dem. Dessa molekyler inkluderade sockerfosfater, som är ett steg i hur våra celler skapar energi, och en av molekylerna som utgör RNA, en DNA-släkting som primitiva organismer använder för att bära sin genetiska kod. Båda reaktionerna är i bästa fall sällsynta i större volymer vatten.

Den observationen, tillsammans med det faktum att mikrodroppar är allestädes närvarande – från moln på himlen till dimman skapad av en kraschande havsvåg – antyder att de kunde ha spelat en roll för att främja liv på jorden. I framtiden, Zare hoppas kunna leta efter fosfater som utgör proteiner och andra molekyler.

Även om han kan producera dessa föreningar, dock, Zare tror inte att han och hans kollegor kommer att ha hittat den enda sanna lösningen på livets ursprung. "Jag tror inte att vi kommer att förstå exakt hur livet började på jorden, sa Zare, som också är Marguerite Blake Wilbur professor i naturvetenskap. Väsentligen, han sa, det beror på att ingen kan gå tillbaka i tiden för att se vad som hände när livet uppstod och det finns inga bra fossila rekord för bildandet av biomolekyler. "Men vi kunde förstå några av möjligheterna, " han lade till.