Крошечные заполненные газом пузырьки в пористой породе вокруг горячих источников, как полагают, сыграли важную роль в зарождении жизни. Таким образом, разница температур на границе раздела жидких фаз могла инициировать пребиотическую химическую эволюцию.
Множество физико-химических процессов должно было создать условия, которые позволили живым системам появиться на ранней Земле. Иными словами, эре биологической эволюции должна была предшествовать - предположительно затяжная - фаза «добиотической» химической эволюции, во время которой собирались и отбирались первые информационные молекулы, способные к самовоспроизведению. Этот сценарий сразу же поднимает другой вопрос: в каких условиях окружающей среды могла происходить добиотическая эволюция? Одно из возможных условий уже давно обсуждалось и исследовалось - крошечные поры в вулканических породах. Международная группа исследователей во главе с Дитером Брауном (профессор системной биофизики в Университете Людвига-Максимилиана (LMU) в Мюнхене) внимательно изучила границы раздела вода-воздух в этих порах. Они образуются спонтанно в заполненных газом пузырьках и демонстрируют интересное сочетание эффектов.
Они обнаружили, что они могли сыграть важную роль в облегчении физико-химических взаимодействий, которые способствовали возникновению жизни. В частности, Браун и его коллеги задались вопросом, могли ли такие интерфейсы стимулировать химические реакции, запускающие начальные этапы добиотической химической эволюции. Их выводы опубликованы в ведущем журнале Nature Chemistry.
Исследование убедительно подтверждает идею о том, что крошечные пузырьки, заполненные газом, которые были захвачены и прореагировали с поверхностью пор в вулканических породах, действительно могли ускорить формирование химических сетей, которые в конечном итоге привели к возникновению первых клетки. Таким образом, авторы смогли экспериментально проверить и охарактеризовать облегчающее воздействие границ раздела воздух-вода на соответствующие химические реакции. Если на поверхности такого пузыря существует разница температур, вода будет стремиться испаряться на более теплой стороне и конденсироваться на более холодной стороне, подобно тому как капля дождя, падающая на окно, стекает по плоской поверхности стекла и, в конце концов, испаряется. «В принципе, этот процесс можно повторять до бесконечности, поскольку вода непрерывно циркулирует между газообразной и жидкой фазами», - говорит Браун, подробно охарактеризовавший механизм и лежащие в его основе физические процессы вместе со своим докторантом Матиасом 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 серии измерений скорости реакции в различных условиях, чтобы охарактеризовать природу основного механизма», - говорит Мораш. Явление оказалось на удивление эффектным и устойчивым. Даже небольшие молекулы могут быть сконцентрированы до высоких уровней. «Затем мы проверили целый ряд физических и химических процессов, которые, должно быть, сыграли центральную роль в зарождении жизни - и все они были заметно ускорены или вообще стали возможными в условиях, преобладающих на границе раздела воздух-вода». Исследование получило пользу от взаимодействия 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, способствующие образованию полимеров, либо стимулируются, либо становятся возможными в первую очередь благодаря наличию границы раздела между водной средой и газовой фазой, что заметно увеличивает скорость химических реакций и каталитических механизмов. Фактически, в таких экспериментах молекулы могли накапливаться до высоких концентраций внутри липидных мембран, когда исследователи добавляли соответствующие химические компоненты. «Везикулы, полученные таким образом, несовершенны. Тем не менее это открытие позволяет предположить, как могли образоваться первые рудиментарные протоклетки и их внешние мембраны», - говорит Мораш.
Возможен ли такой процесс в таких везикулах, «не зависит от природы газа внутри пузырька. Важно то, что из-за разницы температур вода может испаряться за один месте и сконденсироваться 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.