Хімія
Хімія

Скляні пробірки посприяли синтезу органічних сполук з неорганічних

Іспано-італійська група дослідників повторила експерименти з перевірки можливості хімічної еволюції життя та з'ясувала, що скло стало каталізатором для реакцій. Так через використання пробірки з боросилікатного скла, у розчин виділилися молекули діоксиду кремнію. Вони і прискорили хімічні реакції між атомами азоту, вуглецю та водню, які зрештою перетворилися на повний набір біомолекул. Як скло пробірки зіграло роль силікатів ранньої Землі та стало причиною успіху експериментів з хімічної еволюції життя, вчені описали у Scientific Reports.

Стенлі Міллер за лабораторним обладнанням, у якому вперше побачили утворення органічних з'єднань з неорганічних у змодельованих умовах ранньої Землі. Roger Ressmeyer / Corbis / VCG / Getty Images

Стенлі Міллер за лабораторним обладнанням, у якому вперше побачили утворення органічних з'єднань з неорганічних у змодельованих умовах ранньої Землі. Roger Ressmeyer / Corbis / VCG / Getty Images

Що таке хімічна еволюція?

Головною сходинкою у пошуку відповіді на питання, як на третій від Сонця розжареній кам'янистій кулі могло виникнути таке біорізномаїття, стала публікація результатів експерименту Міллера — Юрі у 1953 році. Тоді Нобелівський лауреат Гарольд Юрі та його аспірант Стенлі Міллер вирішили відтворити в лабораторії Чиказького університету атмосферу найдавнішої Землі на першій сходинці нашої геологічної історії — гадейського еона. На їхню думку, умови на ще примітивній Землі сприяли б хімічним реакціям, у яких складні органічні молекули могли б синтезуватися з простих неорганічних.

Щоб перевірити свою гіпотезу, у стерильну п'ятилітрову колбу з боросилікатного скла, з'єднану з другою колбою, заповненою наполовину водою, вчені помістили метан, аміак і водень. Нагріваючи воду у другій колбі, водяна пара змішувалася із вмістом першої, що, на думку дослідників, і було схоже на атмосферу ранньої Землі. Колби нагрівали, імітуючи сонячне тепло, а пару піддавали електричним іскровим розрядам двох електродів – аналогу блискавок. Після цього матеріал охолоджувався і повертався до колби, де весь цикл починався знову.

Схема експерименту. Carny / Wikimedia Commons

Схема експерименту. Carny / Wikimedia Commons

Як працює експеримент з еволюції в пробірці?

Отриманий у лабораторії розчин за день порозовів, а за тиждень набув темного червоно-коричневого відтінку. Тоді Міллер та Юрі проаналізували його та знайшли п'ять амінокислот – основні структурні одиниці білків. Для порівняння, все відоме нам життя складається лише з 20 амінокислот. Ускладнення експерименту призвели до того, що у колбах вдалося отримати всі види біологічних молекул, включаючи навіть складні білки, необхідні для клітинного метаболізму, жирові молекули та клітини, що утворюють мембрани.

З того часу експеримент проводився багато разів у величезній кількості лабораторій і з величезною кількістю варіацій сумішей метану, аміаку та водню у присутності води. Втім, цінність експерименту полягає в тому, що саме спалахи блискавок в атмосфері давньої Землі за кілька сотень мільйонів років могли викликати утворення органічних молекул, які потім завдяки фізичним та хімічним реакціям і природному відбору призвели до того життя, яке ми знаємо зараз.

Що тоді зробили у новій роботі?

Річ у тім, що всі експерименти, які підтверджують успіх Міллера-Юрі, проводилися в колбах з боросилікатного скла. Це не дивно, адже воно відрізняється підвищеною термічною стійкістю та підвищеною стійкістю до механічних пошкоджень, а тому часто зустрічається в лабораторіях. І дослідникам Університету Гранади в Іспанії та Тосканського університету в Італії здалося важливим врахувати це як фактор. Тому вони розробили серію експериментів, щоб перевірити можливий вплив діоксиду кремнію на класичні експерименти з хімічною еволюцією.

У всіх експериментах цього типу, початковий pH дуже лужний. І в таких лужних умовах діоксид кремнію добре розчиняється: чим вище pH і температура, тим вище розчинність діоксид кремнію. Отже, можна очікувати, що при контакті лужного розчину з внутрішньою стінкою боросилікатної колби навіть таке скло буде розчинятися, вивільняючи діоксид кремнію та сліди інших оксидів металів. А враховуючи, що діоксид кремнію відіграє велику роль у пребіотичній хімії, вчені вирішили провести експерименти щодо виявлення його впливу і на хімічну еволюцію в пробірці.

Що діється із життям у колбі?

Щоб перевірити вже свою гіпотезу про вплив скляних пробірок, дослідники відтворили три версії експерименту Міллера-Юрі, з використанням тих же хімікатів та обладнання. В одній версії використовувалися ті ж боросилікатні колби, в іншій — тефлонова колба, а в третій — та ж тефлонова колба, але з домішками боросилікату. Експерименти проводилися в атмосфері з метану, азоту та аміаку за кімнатної температури. А відмінності у них шукали за допомогою газової хромато-мас-спектроскопії.

У результаті виявилося, що поліциклічні ароматичні вуглеводні, дипептиди, а також повний набір біологічних азотистих основ утворилися виключно у боросилікатній посудині. Через кілька годин після першої «блискавки» електродів, стінка боросилікатної колби покрилася тонкою коричневою плівкою органічної речовини, а тефлонова залишилася незайманою органікою. Цікаво, що в експерименті, проведеному з тефлоновим реактором, «засіяним» шматочками боросилікатного скла, всередині розчину також помітили коричневі частинки.

Отримані продукти реакції. Оптичні мікрофотографії вологої (B) і сухої (C) органічної плівки, що покрила внутрішню стінку боросилікатної колби. Joaquín Criado-Reyes et al. / Scientific Reports, 2021

Отримані продукти реакції. Оптичні мікрофотографії вологої (B) і сухої (C) органічної плівки, що покрила внутрішню стінку боросилікатної колби. Joaquín Criado-Reyes et al. / Scientific Reports, 2021

Так вченим вдалося довести, що корозія на поверхні скла відіграє ключову роль в експерименті, оскільки при цьому у розчин виділяються молекули діоксиду кремнію. Це, своєю чергою, діє як каталізатор, який прискорює хімічні реакції між атомами азоту, вуглецю і водню, які зрештою створюють органічні молекули. Ці результати узгоджуються з припущеннями вчених, що саме поєднання атмосферних умов ранньої Землі, блискавки, рідка вода та багаті на кремній породи призвели до виникнення на Землі життя, а роль гірських порід ховалась у самому експерименті.

Утворені під час шести експериментів з електричним розрядом сполуки у боросилікатному склі та тефлонових колбах. Joaquín Criado-Reyes et al. / Scientific Reports, 2021

Утворені під час шести експериментів з електричним розрядом сполуки у боросилікатному склі та тефлонових колбах. Joaquín Criado-Reyes et al. / Scientific Reports, 2021

А про біологічну еволюцію у нас є великий матеріал «Що таке еволюція?», де ми розібралися в основних поняттях еволюції та чому мавпи залишаються на деревах, а не перетворюються на людей.


Фото в анонсі: Стенлі Міллер за лабораторним обладнанням, у якому вперше побачили утворення органічних з'єднань з неорганічних у змодельованих умовах ранньої Землі. Roger Ressmeyer / Corbis / VCG / Getty Images