Множество физико-химических процессов должно было создать условия, которые позволили живым системам возникнуть на ранней Земле. Другими словами, эре биологической эволюции должна была предшествовать – предположительно затяжная – фаза «пребиотической» химической эволюции, во время которой были собраны и отобраны первые информационные молекулы, способные к самовоспроизведению.
Этот сценарий немедленно поднимает другой вопрос: в каких условиях окружающей среды могла происходить эволюция пребиотиков?? Одно из возможных условий уже давно обсуждалось и исследовалось – крошечные поры в вулканических породах. Международная группа исследователей под руководством Дитера Брауна (профессора системной биофизики в Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене) внимательно изучила границы раздела вода-воздух в этих порах. Они самопроизвольно образуются в пузырьках, заполненных газом, и демонстрируют интересную комбинацию эффектов.
Они обнаружили, что могли сыграть важную роль в облегчении физико-химических взаимодействий, которые способствовали возникновению жизни. В частности, Браун и его коллеги спросили, могли ли такие интерфейсы стимулировать те виды химических реакций, которые запускали начальные этапы химической эволюции пребиотиков. Их результаты опубликованы в ведущем журнале Nature Chemistry.
Исследование убедительно поддерживает идею о том, что крошечные пузырьки, заполненные газом, которые были захвачены и вступили в реакцию с поверхностями пор в вулканических породах, действительно могли ускорить формирование химических сетей, которые в конечном итоге привели к возникновению первых ячеек.
Таким образом, авторам удалось экспериментально проверить и охарактеризовать облегчающее влияние границ раздела воздух-вода на соответствующие химические реакции. Если есть разница в температуре на поверхности такого пузыря, вода будет иметь тенденцию испаряться на более теплой стороне и конденсироваться на более холодной стороне, точно так же, как капля дождя, упавшая на окно, стекает по плоской поверхности стекла и в конечном итоге испаряется. «В принципе, этот процесс можно повторять до бесконечности, поскольку вода постоянно циркулирует между газообразной и жидкой фазами», – говорит Браун, который подробно охарактеризовал механизм и лежащие в основе физические процессы вместе со своим докторантом Маттиасом Морашем и другие члены его исследовательской группы. Результатом этого циклического явления является то, что молекулы накапливаются до очень высоких концентраций на более теплой стороне пузыря.
«Мы начали с проведения серии измерений скорости реакции в различных условиях, чтобы охарактеризовать природу лежащего в основе механизма», – говорит Мораш. Явление оказалось на удивление действенным и надежным.
Даже небольшие молекулы могут быть сконцентрированы до высоких уровней. «Затем мы протестировали целый ряд физических и химических процессов, которые, должно быть, сыграли центральную роль в возникновении жизни – и все они были заметно ускорены или вообще стали возможными в условиях, преобладающих на границе раздела воздух-вода.«В исследовании участвовало взаимодействие между группой биофизиков Брауна и специалистами в таких дисциплинах, как химия и геология, которые работают вместе с ним в Центре совместных исследований (SFB / TRR) по происхождению жизни (который финансируется DFG), и от сотрудничества с членами международных команд.
Например, исследователи LMU показывают, что физико-химические процессы, которые способствуют образованию полимеров, либо стимулируются – либо становятся возможными в первую очередь – наличием границы раздела между водной средой и газовой фазой, что значительно увеличивает скорость образования полимеров. химические реакции и каталитические механизмы. Фактически, в таких экспериментах молекулы могли накапливаться до высоких концентраций в липидных мембранах, когда исследователи добавляли соответствующие химические составляющие. "Полученные таким образом везикулы не идеальны.
Но это открытие, тем не менее, предполагает, как могли образоваться первые рудиментарные протоклетки и их внешние мембраны », – говорит Мораш.
Может ли такой процесс происходить в таких пузырьках »не зависит от природы газа внутри пузыря.
Важно то, что из-за разницы температур вода может испаряться в одном месте и конденсироваться в другом », – объясняет Браун. В более ранней работе его группа уже описала другой механизм, с помощью которого разница температур в водоемах может служить для концентрации молекул. «Наша объяснительная модель позволяет объединить оба эффекта, что усилит концентрирующий эффект и, таким образом, повысит эффективность пребиотических процессов», – добавляет он.