Нове дослідження, проведене Американським музеєм природничої історії та фінансується НАСА, визначає процес, який міг зіграти ключову роль у виробництві перших органічних молекул на Землі близько 4 мільярдів років тому, до зародження життя. Процес, аналогічний тому, що міг відбуватися в деяких древніх підводних гідротермальних джерелах, також може мати відношення до пошуків життя в інших частинах Всесвіту. Подробиці дослідження опубліковані на цьому тижні в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
Все життя на Землі побудована з органічних молекул – з’єднань, що складаються з атомів вуглецю, пов’язаних з атомами інших елементів, таких як водень, азот і кисень. У сучасному житті більшість цих органічних молекул утворюються в результаті відновлення вуглекислого газу (CO2) за допомогою декількох шляхів «фіксації вуглецю» (таких як фотосинтез в рослинах). Але більшість цих шляхів або вимагає енергії від клітини, щоб працювати, або вважалося, що вони з’явилися відносно пізно.
Так як же виникли перші органічні молекули до зародження життя?
Щоб розв’язувати це питання, науковий співробітник музею Герстнера Віктор соджу і Рубен Хадсон з Атлантичного коледжу в штаті Мен розробили нову установку, засновану на мікро рідинних реакторах, крихітних автономних лабораторіях, які дозволяють вченим вивчати поведінку рідин – і в цьому випадку, гази – в мікро масштабі. Попередні версії реактора намагалися змішати бульбашки газоподібного водню і CO2 в рідини, але відновлення не відбувалося, можливо, тому, що легко летучий газоподібний водень випарувався, перш ніж він встиг прореагувати. Рішення було знайдено в ході обговорень між Соджу і Хадсоном, які ділили лабораторний стіл в Центрі стійких досліджень ресурсів RIKEN в Сайтама, Японія. Останній реактор був побудований в лабораторії Хадсона в штаті Мен.
«Замість того, щоб барботіровать гази всередині рідин перед реакцією, головне нововведення нового реактора полягає в тому, що рідини наводяться в рух самими газами, тому у них дуже мало шансів на вихід», – сказав Хадсон.
Дослідники використовували свій дизайн для об’єднання водню з CO2 з утворенням органічної молекули, званої мурашиної кислоти (HCOOH). Цей синтетичний процес нагадує єдиний відомий шлях фіксації СО2, який в цілому не потребує подання енергії, званий шляхом Вуда-Люнгдаля ацетил-КоА. Своєю чергою, цей процес нагадує реакції, які могли мати місце в древніх океанічних гідротермальних джерелах.
Дослідники перетворили CO2 в органічні молекули в відносно м’яких умовах, що означає, що результати можуть мати відношення і до хімії навколишнього середовища. Перед обличчям тяглої кліматичної кризи триває пошук нових методів скорочення викидів CO2.
“Результати цієї статті зачіпають кілька тем: від розуміння походження метаболізму до геохімії, що лежить в основі круговоротів водню і вуглецю на Землі, а також до додатків зеленої хімії, де біогеографічні дослідження можуть сприяти просуванню хімічних речовин, реакції в м’яких умовах “, – додав Шон Е. МакГлінн, також автор дослідження з Токійського технологічного інституту.
Серед інших авторів цього дослідження – Рува де Грааф і Марі Стренд Родін з Атлантичного коледжу, Айя Воно з Центру стійких ресурсних досліджень RIKEN в Японії, Нік Лейн з Університетського коледжу Лондона, Йоичи М.А. Ямада з RIKEN, Рюхей Накамура з RIKEN і Токійський технологічний інститут, і Дітер Браун з Університету Людвіга-Максиміліана в Мюнхені.
Ця робота була частково підтримана Консорціумом космічних грантів НАСА в штаті Мен (SG-19-14 і SG-20-19), Національним науковим фондом США (1415189 та 1724300), Японським товариством сприяння науці (FY2016-PE- 16047 і FY2016-PE -16721), Національний інститут загальних медичних наук Національного інституту охорони здоров’я (P20GM103423), Європейська організація молекулярної біології (ALTF-725 1455-2015), інститут перспективних досліджень в Берліні та сім’я Герстнер Фонд.
«Наслідки виходять далеко за межі нашої біосфери», – сказав соджу. «Подібні гідротермальні системи можуть існувати сьогодні в інших частинах Сонячної системи, особливо на Енцеладі та Європі – супутниках Сатурна і Юпітера відповідно – і, що цілком передбачувано, в інших водно-кам’янистих світах по всьому Всесвіті».
«Розуміння того, як вуглекислий газ може бути зменшений в м’яких геологічних умовах, важливо для оцінки можливості походження життя в інших світах, що сприяє розумінню того, наскільки поширеною або рідкісної може бути життя у Всесвіті», – додала Лорі Бардж з NASA Jet Propulsion.