Микромолнии в каплях воды могли дать искру жизни на Земле
Жизнь могла начаться не с мощного удара молнии в океан, а благодаря множеству мелких обменов «микромолниями» между каплями воды в водопадах или разбивающихся волнах.
Новое исследование Стэнфордского университета показывает, что распыление воды в смесь газов, предположительно присутствовавших в ранней атмосфере Земли, может приводить к образованию органических молекул с углерод-азотными связями, включая урацил — один из компонентов ДНК и РНК.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, добавляет доказательства и новый ракурс к горячо обсуждаемой гипотезе Миллера–Юри, утверждающей, что жизнь на планете началась с 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 текущем исследовании учёные обнаружили, что распыл воды, создающий небольшие электрические заряды, может выполнять эту работу самостоятельно, без дополнительного электричества.
«Микроэлектрические разряды между противоположно заряженными микрокаплями воды создают все органические молекулы, ранее наблюдавшиеся в эксперименте Миллера–Юри. Мы предполагаем, что это новый механизм пребиотического синтеза молекул, составляющих строительные блоки жизни», — заявил старший автор Ричард Зар, профессор химии Стэнфордского университета.
Сила и потенциал микромолний
В течение пары миллиардов лет после своего формирования Земля, как полагают, имела смесь химических веществ, но почти не имела органических молекул с углерод-азотными связями, которые необходимы для белков, ферментов, нуклеиновых кислот, хлорофилла и других соединений, составляющих живые организмы сегодня.
Как возникли эти биологические компоненты, долгое время оставалось загадкой. Эксперимент Миллера–Юри дал одно возможное объяснение: молнии, ударяющие в океан и взаимодействующие с газами ранней планеты, такими как метан, аммиак и водород, могли создавать эти органические молекулы.
Критики этой теории указывали, что молнии слишком редки, а океан слишком велик и рассеян, чтобы это было реалистичной причиной.
Зар вместе с постдоками Ифань Мэном и Ю Ся, а также аспирантом Цзиньхэном Сюй, предлагают в этом исследовании другую возможность. Команда сначала исследовала, как капли воды приобретают разные заряды при разделении распылением или всплеском.
Они обнаружили, что более крупные капли часто несли положительный заряд, а более мелкие — отрицательный. Когда противоположно заряженные капли сближались, между ними проскакивали искры. Зар называет это «микромолниями», поскольку процесс связан с тем, как энергия накапливается и разряжается в виде молний в облаках. Исследователи использовали высокоскоростные камеры, чтобы зафиксировать вспышки света, которые трудно обнаружить невооружённым глазом.
Хотя крошечные вспышки микромолний трудно увидеть, они всё же несут много энергии. Исследователи продемонстрировали эту мощность, направляя распылы воды комнатной температуры в газовую смесь, содержащую азот, метан, углекислый газ и аммиак — газы, которые, как считается, присутствовали на ранней Земле.
Это привело к образованию органических молекул с углерод-азотными связями, включая цианистый водород, аминокислоту глицин и урацил.
Исследователи утверждают, что эти результаты указывают на то, что жизнь на этой планете запустили не обязательно удары молний, а крошечные искры, создаваемые разбивающимися волнами или водопадами.
«На ранней Земле распыление воды было повсюду — в расщелины или о скалы, и оно могло накапливаться и создавать эту химическую реакцию. Я думаю, это преодолевает многие проблемы, которые люди видят в гипотезе Миллера–Юри», — сказал Зар.
Исследовательская группа Зара сосредоточена на изучении потенциальной силы мелких частиц воды, включая то, как водяной пар может способствовать производству аммиака (ключевого ингредиента удобрений) и как капли воды спонтанно производят перекись водорода.
«Мы обычно думаем о воде как о чём-то очень инертном, но когда она разделена в виде маленьких капель, вода становится высокореактивной», — отметил он.