Самозапускающийся реактор жизни: открытие, которое меняет всё

Мочевина — одно из самых значимых химических соединений, используемых человечеством.

Она играет ключевую роль в сельском хозяйстве как удобрение, применяется в производстве смол, взрывчатых веществ и даже в автомобильной промышленности для очистки выхлопных газов. Более того, считается, что эта простая молекула могла быть важным элементом в зарождении жизни на Земле, участвуя в формировании сложных биологических структур, таких как РНК и ДНК.

Однако до недавнего времени учёные не могли точно объяснить, как именно мочевина появилась на нашей планете в те далёкие времена, когда жизни ещё не существовало.

Группа исследователей из Швейцарской высшей технической школы Цюриха обнаружила ранее неизвестный механизм образования мочевины, который может пролить свет на эту загадку. Результаты их работы были опубликованы в одном из ведущих научных журналов.

Для промышленного синтеза мочевины из аммиака и углекислого газа обычно требуются экстремальные условия — высокое давление и температура, либо специальные катализаторы. В живых организмах эту реакцию облегчают ферменты, превращая токсичный аммиак, образующийся при распаде белков, в безопасную мочевину.

Поскольку эта молекула содержит азот и углерод и, вероятно, существовала на Земле ещё до появления жизни, многие исследователи рассматривают её как возможного предшественника сложных биомолекул.

Руководитель исследования отметила, что их команда выявила один из возможных путей появления мочевины на ранней Земле — в местах, где молекулы воды взаимодействуют с газами атмосферы, а именно на поверхности водных капель.

Исследователи сосредоточились на изучении мельчайших капель воды, таких как морские брызги или частицы тумана. Они установили, что мочевина может образовываться спонтанно из углекислого газа и аммиака прямо на границе между водой и воздухом, причём без необходимости в экстремальных условиях. Оказалось, что контакт жидкости с воздухом создаёт уникальную химическую среду, которая делает возможной такую реакцию.

Капли воды обладают огромной площадью поверхности по сравнению с их объёмом, и именно вблизи этой поверхности происходят основные химические процессы. Здесь формируются градиенты концентрации веществ, которые превращают каплю в своеобразный микроскопический реактор. В частности, изменение кислотности в поверхностном слое капель создаёт условия, открывающие новые пути реакций, невозможные в обычной жидкости.

Один из ведущих авторов исследования подчеркнул, что эта реакция уникальна тем, что происходит в обычных условиях окружающей среды, без внешнего источника энергии. Это открытие не только представляет интерес с точки зрения технологий, но и даёт важные подсказки о процессах, которые могли сыграть роль в эволюции жизни.

Вопрос о происхождении жизни остаётся одной из самых интригующих загадок науки, и исследователи используют самые разные подходы, чтобы найти ответы. Один из авторов исследования отметил, что, учитывая сложность этой темы, их команде было важно многократно подтвердить свои выводы. Теоретические расчёты, выполненные коллегами из Обернского университета, подтвердили экспериментальные данные, показав, что реакция образования мочевины в каплях действительно не требует внешней энергии.

Эти результаты позволяют предположить, что подобный процесс мог происходить в атмосфере ранней Земли, богатой углекислым газом и, возможно, содержавшей небольшие количества аммиака. В таких условиях капли тумана или водные аэрозоли могли служить естественными реакторами, производящими молекулы, которые впоследствии стали строительными блоками жизни.

Руководитель исследования добавила, что их работа демонстрирует, как самые обычные поверхности могут превращаться в активные химические пространства, намекая на то, что биологические молекулы могли иметь более широкое распространение, чем считалось ранее.

Кроме того, в будущем этот процесс может стать основой для экологически безопасного производства мочевины, что сделает её синтез более устойчивым и энергоэффективным.

Уточнения

Рибонуклеи́новая кислота́ (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов и играют важную роль в кодировании, прочтении, регуляции и экспрессии генов.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования организмов.