Вопрос о происхождении жизни, по сути, является проблемой переноса информации из геохимической среды в высокий локальный объем. Периодическая среда Земли располагает разнообразными запасами сырья - атмосферы, океанов, пород и минералов, а также разнообразным набором мелких органических молекул.
Процессы, посредством которых Земля трансформировалась в живой мир, требовали отбора, концентрации и организации конкретных органических молекул в последовательно более информативно насыщенные локализованные сообщества. С этой точки зрения, происхождение жизни можно смоделировать как проблему в возникающем химическом комплексе.
По меньшей мере пять аспектов геохимической среды Хадея внесли свой вклад в пробиотическую сложность Земли и, таким образом, могли сыграть значительную роль в возникновении жизни. Эти пять геохимических характеристик должны рассматриваться по отдельности и совместно в моделях происхождения жизни.
Интерфейс минерал-вода представляет собой динамическую, энергетическую среду, которая может избирательно адсорбировать биомолекулы, повышать термическую стабильность органических видов, способствовать химическим реакциям и облегчать тип молекулярной концентрации и организации, которые должны были предшествовать возникновению жизни.
Химические взаимодействия на стыке кристаллической воды и воды имеют решающее значение для широкого круга научных и технологических тем, включая коррозию, гетерогенные катализаторы, химические датчики, зубы и кости, титановые имплантаты и другие протезные медицинские изделия и множество коммерческих продуктов, включая краски, клеи, красители, смазки, растворители и чистящие средства.
Геохимики уделяют особое внимание реакциям между поверхностями минералов и водными видами - взаимодействиям, имеющим центральное значение для выветривания, почвообразования, гидротермальных рудопроницаемых флюидов, биоминерализации, образования биопленок, поглощения и выброса химических веществ, которые влияют на качество воды и многих других природных процессов. Исследования взаимодействия минералов и молекул, связанные с происхождением жизни, основываются на этой обширной геохимической литературе.
О природе минералов поверхности
Идеализированная кристаллическая поверхность оканчивается расположением атомов, приближенным к плоскому усечению периодической трехмерной кристаллической структуры. В реальных кристаллах эта идеальная ситуация меняется несколькими способами. Во-первых, поверхностные атомы находятся в среде, значительно отличающейся от среды под поверхностью, и поэтому подвергаются релаксации из-за пограничных эффектов - как правило, незначительных отклонений от их формального кристаллографического положения.
Во-вторых, поверхности минералов в воздухе или водной среде обычно подвержены химическим изменениям в результате окисления, гидратации или гидроксилирования. В-третьих, кристаллы неизменно имеют дефекты и примеси, изменяющие местные поверхностные физические свойства и химическую реактивность. Топология реальных кристаллических поверхностей также представляет собой значительное отклонение от идеала, так как кристаллические поверхности редко бывают плоскими.
Все остальные поверхности этих металлов должны включать ступени и/или перегибы. Участки извилистости свойственны всем поверхностям с высоким индексом, будь то металлы или минералы, и они диктуют поведение молекулярной адсорбции на этих поверхностях. Поверхности минералов также обычно содержат дефекты роста, в том числе ступенчатые края и участки перегибов, которые обеспечивают перспективные места стыковки органических молекул.
Дополнительные сложности возникают в связи с разнообразием геологических материалов, которые не имеют периодических двумерных поверхностей, особенно аморфных материалов, таких как базальтовое стекло вулканов на морском дне. Мезопористые цеолиты и наночастичные глины (включая слои филлезиликатов и гидроксидных минералов) взаимодействуют с органическими молекулами в сложных трехмерных средах.
Например, двухслойные минералы гидроксида, такие как гидроталцит, эффективно адсорбируют гликоалдегидфосфат и формальдегид, предположительно в относительно просторные межслойные области, и способствуют конденсационным реакциям на тетроз и гексозированные фосфаты сахара. Учитывая эти сложности, любое реалистичное моделирование взаимодействия между биомолекулами и минеральными поверхностями должно учитывать геометрию как молекул, так и поверхностей.
О природе взаимодействия минеральных и водных ресурсов
Минеральные поверхности подвергаются значительным изменениям в водной среде, особенно в растворе электролита, таком как морская. Характер сильно зависит от pH. При более низком pH поверхность обычно протонирована и, таким образом, положительно заряжена, в то время как при более высоком pH поверхность отрицательно заряжена гидроксилами. Пересечение pH, при котором поверхность является электрически нейтральной, называется точкой нулевого заряда.
Важно понимать, что кристаллографически различающиеся грани одного и того же кристалла будут иметь разную структуру поверхности и, следовательно, могут иметь существенно различную , поверхностную реактивность и другие свойства. По этой причине порошкообразование кристаллического образца для увеличения площади реакционной поверхности в эксперименте может уничтожить значительную информацию о специфических механизмах реакции, связанных со специфическими кристаллографическими границами.
О природе взаимодействия минералов и молекул
Адсорбированные ионные и молекулярные частицы изменяют двойной электрический слой минеральных поверхностей, вытесняя водород на границе раздела твердых флюидов. Последние разработки в области моделирования комплексации поверхности позволяют точно смоделировать вид поверхности. Модель рассматривает ранее игнорировавшееся явление, присущее реакциям обмена лиганда: электростатическую работу во время десорбции диполей воды с заряженной поверхности.
Более века экспериментальных и теоретических исследований изучали взаимодействие растворенных водных химических веществ с минеральными поверхностями. Большая часть этой обширной литературы посвящена растворенным ионам и неорганическим комплексам, однако многие принципы, разработанные для взаимодействия минералов и ионов, также применимы к биомолекулам. Все поверхностно-расположенные реакции требуют взаимодействия по крайней мере одного молекулярного вида с поверхностью.
Дополнительные сложности возникают при взаимодействии органических молекул с неровностями кристаллической поверхности. Такие взаимодействия могут быть поразительно выявлены при выращивании или растворении кристаллов в присутствии органических молекул, которые могут преимущественно состыковываться по кристаллографически различимым краям и перегибам. Такое связывание может тормозить рост кристаллов в определенных направлениях и, таким образом, привести к необычной морфологии кристаллов.
Например исследования показали поразительно неравномерный рост кристаллов макроскопического гипса в присутствии 28 различных хиральных органических растворителей, включая аминокислоты и карбоновые кислоты. Такой тонкий молекулярный контроль роста кристаллов и ориентации указывает на стратегии наноинженерии и подчеркивает сложности моделирования органического отбора и организации пробиотических соединений в реальном мире.
