Возможный ключевой компонент в происхождении жизни
Исследователи из ETH обнаружили ранее неизвестный способ спонтанного формирования этого строительного блока на водных поверхностях без необходимости дополнительной энергии. Мочевина считается возможной ключевой молекулой в происхождении жизни.
Промышленное значение мочевины
Мочевина — одно из наиболее важных промышленных химических веществ, производимых в мире. Она используется в качестве удобрения, для производства синтетических смол и взрывчатых веществ, а также в качестве добавки к топливу для очистки выхлопных газов автомобилей.
Происхождение мочевины на ранней Земле
До сих пор происхождение мочевины на ранней Земле не было окончательно прояснено. Однако исследовательская группа под руководством Рут Синьорелл, профессора физической химии в ETH Zurich, обнаружила ранее неизвестный путь реакции для образования мочевины, который может дать ответ на этот вопрос. Исследование опубликовано в журнале Science.
Промышленный синтез мочевины
Для промышленного производства мочевины из аммиака (NH₃) и углекислого газа (CO₂) необходимы либо высокие давления и температуры, либо химические катализаторы. Учёные и животные используют ферменты для осуществления той же реакции, удаляя токсичный аммиак из процесса распада белков, таких как мочевина. Поскольку эта простая молекула содержит азот, а также углерод и, вероятно, существовала на необитаемой ранней Земле, многие исследователи рассматривают мочевину как возможный предшественник сложных биомолекул.
Исследование Рут Синьорелл
В своём исследовании Синьорелл и её команда показывают один из способов, которым мочевина могла образоваться на пребиотической Земле, а именно там, где молекулы воды взаимодействуют с атмосферными газами: на поверхности воды.
Команда Синьорелл изучала крошечные капли воды, подобные тем, что встречаются в морском тумане и мелкой взвеси. Исследователи наблюдали, что мочевина может спонтанно образовываться из углекислого газа (CO₂) и аммиака (NH₃) в поверхностном слое капель при обычных условиях. Физический интерфейс между воздухом и жидкостью создаёт особую химическую среду на поверхности воды, которая делает спонтанную реакцию возможной.
Поскольку капля имеет очень большую площадь поверхности по отношению к своему объёму, химические реакции в основном происходят вблизи этой поверхности. В этой области формируются градиенты химической концентрации, которые действуют как микроскопический реактор. Градиент pH в межфазном слое капель воды создаёт необходимую кислую среду, которая открывает нетрадиционные пути, которые в противном случае не протекали бы в жидкостях.
«Примечательным аспектом этой реакции является то, что она протекает в обычных условиях без какой-либо внешней энергии», — объясняет Мерседе Мохаджер Азизбаиг, одна из двух первых авторов. Это не только делает процесс интересным с технической точки зрения, но и даёт ценную информацию о процессах, которые могли иметь значение для эволюции.
Происхождение жизни
Происхождение жизни в настоящее время является предметом многочисленных исследований, в которых изучаются различные подходы. Первый автор Паллаб Басури объясняет: «Учитывая столь противоречивую область исследований, для нас было важно подкрепить наши наблюдения».
Теоретические расчёты соавторов Евангелоса Милиордоса и Андрея Евдокимова из Обернского университета поддержали экспериментальные данные и подтвердили, что реакция мочевины на каплях протекает без какого-либо внешнего источника энергии.
Результаты показывают, что эта естественная реакция также могла иметь место в атмосфере ранней Земли — атмосфере, богатой CO₂ и, вероятно, содержащей небольшие следы аммиака. В таких условиях водные аэрозоли или капли тумана могли действовать как естественные реакторы, в которых образовывались молекулы-предшественники, такие как мочевина.
«Наше исследование показывает, как кажущиеся обыденными интерфейсы могут стать динамическими реакционными пространствами, предполагая, что биологические молекулы могут иметь более общее происхождение, чем считалось ранее», — говорит Синьорелл.
В долгосрочной перспективе прямая реакция CO₂ и аммиака в обычных условиях также может иметь потенциал для экологически чистого производства мочевины и побочных продуктов.
Предоставлено ETH Zurich.