Давным-давно на Земле не существовало органических молекул с углерод-азотными связями, без которых не было бы белков и нуклеиновых кислот, а также других молекул, входящих в состав живых организмов. Есть много гипотез о том, как возникла такая органика, и недавно ученые пересмотрели одну из них
Как известно, чистая дистиллированная вода практически не проводит электричество, ведь хотя сами молекулы воды имеют заметно выраженную полярность, в ней нет свободных электрических зарядов. Однако обычно в воде находятся соли, молекулы которых при растворении распадаются на положительные и отрицательные ионы, и вода становится электролитом, проводящим электрический ток.
Еще в 1867 г. британский физик и инженер Уильям Томсон (лорд Кельвин) с помощью воды сконструировал генератор электростатического напряжения, названный капельницей Кельвина. Его основу составляют пара металлических банок, связанных с металлическими кольцами-индукторами, через которые льются струйки воды, разделяясь на капли. В результате потенциальная (гравитационная) энергия падающих капель воды преобразуется в электрическую. Позже, в 1892 г., при изучении заряда капель воды у основания водопада было обнаружено, что при разбрызгивании воды более мелкие капли заряжаются отрицательно, а более крупные – положительно.
Противоположные электрические заряды также накапливаются в грозовых облаках в результате столкновения капель воды с кристаллами льда и льдинок между собой. Эта разность потенциалов между частями облака в какой-то момент и вызывает разряд электричества – молнию. В общем, в природе заряженные капли воды – обычное явление.
Именно молнии стали главными фигурантами одной из гипотез, объясняющих как на Земле появились органические молекулы, а впоследствии и жизнь.
Это гипотеза была подтверждена в 1952 г. в ставшем классическим эксперименте Миллера-Юри, в котором были смоделированы гипотетические условия ранней Земли. Через смесь водяных паров и газов, соответствующую составу древней атмосферы, пропускали электрические разряды, имитируя удары молнии. Предполагалось, что высокоэнергетические разряды ионизируют или диссоциируют неорганические газы с образованием радикалов и ионов, которые затем могут вступать в реакции с образованием органических соединений. И в конечной смеси действительно обнаруживались органические соединения, включая белковые «кирпичики» – аминокислоты.
Критики этой теории указывали, что молнии бьют слишком редко, а океан слишком велик, чтобы это могло быть реальным механизмом зарождения жизни. Недавно ученые из Стэнфордского университета (США) вновь обратили внимание на эту гипотезу, но вместо молний и мирового океана оперировали намного менее масштабными объектами.
Сначала было экспериментально подтверждено, что при распылении нейтрально заряженных молекул воды образуются микрокапли с разным зарядом. Более крупные капли заряжаются положительно из-за потери электронов при контакте с молекулами газов в воздухе. Когда капли разных размеров сближаются, между ними возникает электрический разряд, сопровождающийся испусканием фотонов.
Подобно молнии, этот электрический разряд обладал достаточной энергией, чтобы возбуждать, диссоциировать или ионизировать окружающие молекулы нейтрального газа, что способствует протеканию химических реакций.
Распыляя микрокапли воды в газовую смесь, содержащую азот, метан, углекислый газ и аммиак, которые, как считается, присутствовали в атмосфере молодой Земли, исследователи получили органические молекулы с углерод-азотными связями (C–N). Так образовался цианистый водород (HCN), аминокислота глицин (NH₂CH₂COOH) и урацил – (C₄H₄N₂O₂) – одно из четырех азотистых оснований в молекуле рибонуклеиновой кислоты (РНК).
Таким образом, органика – как и жизнь – могли появиться на Земле не в результате ударов молний, а благодаря крошечным, незаметным электрическим разрядам в самых обычных водяных каплях и брызгах.
Фото: https://www.flickr.com
Публикации по теме:
Естественный отбор среди молекул
По ступеням эволюции. Эволюция Земли, ландшафтной оболочки, климата и биосферы