Капли жизни: как поверхность воды создала ключевую молекулу для появления ДНК
Одним из самых интригующих вопросов науки остается загадка происхождения жизни. Какие химические процессы привели к появлению первых биомолекул, таких как РНК и ДНК? Среди множества гипотез особое место занимает теория, согласно которой ключевую роль в этом процессе могла сыграть мочевина — простая молекула, содержащая углерод и азот. Сегодня мочевина широко используется в промышленности: от сельского хозяйства до производства пластмасс и топливных добавок. Однако ее возможное значение для зарождения жизни делает ее объектом пристального внимания ученых.
Долгое время оставалось неясным, как мочевина могла образоваться в условиях ранней Земли, где не было ни ферментов, ни высоких температур, необходимых для ее синтеза. Новое исследование, проведенное группой ученых из ETH Zurich под руководством профессора Рут Синьорелл, проливает свет на этот вопрос. Оказывается, мочевина может спонтанно формироваться на поверхности микроскопических водных капель — без каких-либо дополнительных источников энергии. Это открытие не только приближает нас к пониманию химических истоков жизни, но и открывает перспективы для экологически чистых технологий синтеза мочевины.
Химия на границе раздела фаз: неожиданный путь синтеза мочевины
В промышленных масштабах мочевину получают из аммиака (NH₃) и углекислого газа (CO₂) при высоких давлениях и температурах либо с использованием катализаторов. В живых организмах этот процесс происходит благодаря ферментам. Но как мочевина могла образоваться в добиотических условиях, когда ни сложных катализаторов, ни биологических систем еще не существовало?
Исследователи ETH Zurich обнаружили, что ключ к разгадке кроется в поверхностном слое мельчайших водных капель, таких как те, что образуются в морских брызгах или тумане. Оказалось, что на границе между водой и воздухом создается уникальная химическая среда, где CO₂ и аммиак могут спонтанно реагировать с образованием мочевины — без какого-либо внешнего энергетического воздействия.
Особенность этого процесса заключается в том, что поверхность капли воды представляет собой динамичную химическую зону. Здесь формируются градиенты pH и концентраций, которые действуют как микроскопический реактор. В частности, кислая среда на границе раздела фаз способствует реакциям, которые в объеме жидкости были бы невозможны.
Эксперименты подтвердили, что реакция протекает при обычных температуре и давлении, что делает этот механизм особенно значимым для теорий абиогенеза. Теоретические расчеты, выполненные сотрудниками Университета Оберна, дополнительно подтвердили, что процесс энергетически выгоден и не требует внешних стимулов.
Значение для теории происхождения жизни
Атмосфера ранней Земли, вероятно, была богата CO₂ и содержала следовые количества аммиака. В таких условиях водные аэрозоли — капли тумана или морские брызги — могли служить естественными «фабриками» по производству мочевины. Это открытие поддерживает идею о том, что ключевые пребиотические молекулы могли формироваться в обыденных, повсеместно встречающихся условиях — без необходимости в экстремальных факторах.
Помимо фундаментального значения, это открытие может иметь и практические последствия. Прямой синтез мочевины из CO₂ и аммиака в мягких условиях открывает путь к более экологичным методам ее промышленного производства, что особенно актуально в контексте сокращения выбросов углекислого газа.
Исследование демонстрирует, как, казалось бы, простые физико-химические процессы на границе раздела фаз могли сыграть решающую роль в зарождении жизни. Оно также напоминает нам, что некоторые из самых важных химических реакций могут происходить в самых неожиданных местах — даже на поверхности крошечной капли воды.