Исследование Стэнфордского университета показывает, что вода, распыленная в смеси газов, которые, как считается, присутствовали в ранней атмосфере Земли, может привести к образованию органических молекул с углеродно-азотными связями, включая урацил, один из компонентов ДНК и РНК. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Микромолнии между каплями воды могли «зажечь» жизнь на Земле
Исследование, проведенное в Стэнфордском университете, показывает, что электрические заряды в струях воды могут вызывать химические реакции, в результате которых из неорганических материалов образуются органические молекулы. Полученные данные свидетельствуют о том, что микромолнии могли создать строительные блоки, необходимые для зарождения жизни на нашей планете.
Водяные брызги от разбивающихся волн и падающей воды, вероятно, были обычным явлением на ранней Земле. Новое исследование предполагает, что эти мелкие капли могли генерировать электрические разряды или «микромолнии», которые могли создавать органические соединения, необходимые для жизни. iStock / desifoto
Новая работа добавляет доказательства к вызывающей много споров гипотезе Миллера-Юри, которая утверждает, что жизнь на нашей планете зародилась в результате удара молнии. Эта теория основана на эксперименте 1952 года, показавшем, что органические соединения могут образовываться при воздействии электричества на смесь воды и неорганических газов.
В новом исследовании ученые обнаружили, что водяные брызги, которые создают небольшие электрические заряды, могут выполнять эту работу сами по себе, без дополнительного электричества.
«Микроэлектрические разряды между противоположно заряженными микрокапельками воды образуют все органические молекулы, наблюдавшиеся ранее в эксперименте Миллера-Юри, и мы предполагаем, что это новый механизм пребиотического синтеза молекул, составляющих строительные блоки жизни», — говорит старший автор работы Ричард Заре.
Эксперимент Миллера — Юри.
Сила микромолний
Считается, что в течение пары миллиардов лет после образования Земли на ней было множество химических веществ, но почти не было органических молекул со связями углерода и азота, которые необходимы для белков, ферментов, нуклеиновых кислот, хлорофилла и других соединений, из которых состоят живые организмы сегодня.
То, как появились эти биологические компоненты, давно озадачивает ученых, и эксперимент Миллера-Юри дал одно из возможных объяснений: молния, ударяющая в океан и взаимодействующая с ранними газами планеты, такими как метан, аммиак и водород, могла создать эти органические молекулы. Критики этой теории указали, что молнии слишком редки, а океан слишком велик и рассеян, чтобы это могло быть реалистичной причиной.
Ричард Заре вместе с коллегами предложили еще одну возможность. Сначала команда исследовала, как капли воды приобретают разные заряды при распылении или всплеске. Они обнаружили, что более крупные капли часто несли положительный заряд, а более мелкие — отрицательный. Когда противоположно заряженные капли приближались друг к другу, между ними проскакивали искры. Заре называет это «микромолниями», поскольку этот процесс связан с тем, как энергия накапливается и разряжается в виде молнии в облаках. Исследователи использовали высокоскоростные камеры, чтобы задокументировать вспышки света, которые трудно обнаружить человеческим глазом.
Несмотря на то, что крошечные вспышки микромолний трудно увидеть, они все равно несут много энергии. Исследователи продемонстрировали эту силу, направив брызги воды комнатной температуры в газовую смесь, содержащую азот, метан, углекислый газ и аммиак, которые, как считается, присутствовали на ранней Земле. Это привело к образованию органических молекул со связями углерод-азот, включая цианистый водород, аминокислоту глицин и урацил.
(A) Экспериментальная установка для левитации капель. Фотографии (B) левитации капли, (C) раздавленной капли и (D) расщепления капли при регулировании расстояния между излучателем и отражателем в (A). (E) Фотография расщепления капель при подаче напряжения на два электрода, показанных в (A). Образовавшиеся маленькие капли летят к положительному электроду (обведен белым). (F) Обнаружение света детектором с фотонным усилением в результате расщепления капель. (G) Обнаружение света фотонным счетчиком в результате расщепления капель.
Исследователи утверждают, что эти результаты указывают на то, что началом жизни не обязательно должны были быть удары молнии, а достаточно крошечных искр, образующиеся при падении волн или водопадов.
«На ранней Земле повсюду были брызги воды — в расщелинах или на камнях, и они могли накапливаться и создавать эту химическую реакцию», — сказал Заре. «Я думаю, что это преодолевает многие проблемы, которые встают в связи с гипотезой Миллера-Юри».
Исследовательская группа Заре сосредоточена на изучении потенциальной силы небольших частиц воды, включая то, как водяной пар может способствовать образованию аммиака, ключевого ингредиента удобрений, и как капли воды спонтанно производят перекись водорода. «Обычно мы думаем о воде как о чем-то нейтральном, но когда она разделена на маленькие капельки, вода становится очень реакционноспособной», — сказал ученый.