Крошечные молнии в каплях воды могут объяснить, как зародилась жизнь на Земле

Фото из открытых источников

Каждый всплеск воды на Земле может создавать микроскопические молнии, и это электрическое явление могло бы стать искрой для химии самой жизни. Исследователи Стэнфордского университета обнаружили, что когда обычные капли воды разделяются, они генерируют «микромолнии», достаточно мощные, чтобы преобразовать простые газы в сложные органические молекулы, потенциально решая давнюю загадку о том, как на нашей планете впервые образовались строительные блоки жизни.

Исследование, опубликованное в Science Advances, показывает, что распыляемая вода образует капли с противоположными электрическими зарядами. Когда эти капли приближаются друг к другу, они создают электрические искры, способные преобразовывать окружающие газы

Зная это, исследование продемонстрировало нечто необычное: когда капли воды распылялись в смеси газов, похожих на раннюю атмосферу Земли (азот, метан, углекислый газ и аммиак), в результате микромолний образовывались органические молекулы со связями углерод-азот. К ним относились цианистый водород, аминокислота глицин и даже урацил — один из четырех ключевых компонентов РНК.

Это природное явление постоянно происходит в океанских волнах, водопадах и ливнях. В отличие от ударов молний, которые редки и случайны, водяные брызги есть повсюду на нашей планете. Эта вездесущность указывает на то, что микромолнии потенциально внесли большой вклад в создание ингредиентов жизни на ранней Земле.

Путь к этому открытию начался с парадокса 19 века. Чистая вода обычно является плохим проводником электричества, однако в 1867 году лорд Кельвин построил устройство, которое генерировало искры между металлическими ведрами, собирающими капли воды. Объяснение? Когда капли воды разделяются, более мелкие несут отрицательные заряды, а более крупные сохраняют положительные заряды.

Для изучения этого явления ученые создали сложную установку, которая могла удерживать, а затем разделять отдельные капли воды, одновременно регистрируя результаты с помощью высокоскоростных камер и фотодетекторов.

Электрическое поле между этими заряженными микрокапельками воды оказалось необычайно мощным — более 8 миллиардов вольт на метр. Благодаря тщательным экспериментам команда определила, что микромолнии производят энергию от 12,13 до 12,5 электрон-вольт — достаточно для ионизации таких элементов, как ксенон.

В экспериментах по пребиотической химии микромолнии в каплях воды достигли за микросекунды того, что знаменитый эксперимент Миллера-Юри продемонстрировал десятилетия назад о потенциальной роли молнии в создании предшественников жизни. Реакции начинались с распада молекул азота и метана, образуя реактивные фрагменты, которые объединялись, создавая все более сложные органические соединения.

Проведенный в 1952 году эксперимент Миллера-Юри стал знаковым исследованием в исследовании происхождения жизни, в котором ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри моделировали ранние условия Земли, чтобы увидеть, могли ли органические соединения образовываться спонтанно. Они создали герметичный аппарат, содержащий воду (представляющую первичный океан), метан, аммиак и водород (представляющий раннюю атмосферу), и подвергали эту смесь непрерывным электрическим разрядам (симулирующим молнию) в течение примерно недели. Когда они проанализировали полученный раствор, они обнаружили, что он содержит различные аминокислоты — строительные блоки белков, — а также другие органические соединения, необходимые для жизни. Эксперимент продемонстрировал, что сложные органические молекулы могут быть синтезированы из простых неорганических предшественников в условиях, которые, как считается, напоминают раннюю Землю, что предполагает возможный механизм того, как химические предшественники жизни могли образоваться естественным образом до того, как появились биологические процессы.

Чтобы проверить результаты этого нового исследования, ученые провели контрольные эксперименты с отдельными каплями воды, которые не разделились. Они не произвели цианистый водород, подтвердив, что для создания органических соединений требуются микромолнии между противоположно заряженными каплями.

«Микроэлектрические разряды между противоположно заряженными микрокаплями воды создают все органические молекулы, которые ранее наблюдались в эксперименте Миллера-Юри, и мы предполагаем, что это новый механизм пребиотического синтеза молекул, которые являются строительными блоками жизни», — говорит соавтор исследования Ричард Заре из Стэнфордского университета.

Это открытие выходит за рамки объяснения того, как могла зародиться жизнь на Земле. Поскольку вода покрывает более 70% поверхности нашей планеты, микромолнии могли бы стать непрерывным и широко распространенным механизмом создания органических соединений в ранних океанах и на береговых линиях Земли.

«На ранней Земле повсюду были брызги воды — в расщелинах или на камнях, и они могли накапливаться и вызывать эту химическую реакцию», — отмечает Заре. «Я думаю, это преодолевает многие проблемы, которые люди имеют с гипотезой Миллера-Юри».

Исследование не опровергает существующие теории о происхождении жизни, но добавляет еще один убедительный путь. Множественные механизмы — традиционные молнии, гидротермальные источники, удары метеоритов, а теперь и микрокапельные микромолнии — вероятно, способствовали пребиотической химии, которая в конечном итоге привела к жизни.

«Обычно мы думаем, что вода безвредна, но когда она разделена на маленькие капельки, она становится очень реакционноспособной», — говорит Заре.

Самым глубоким аспектом может быть простота этого открытия: процесс, который потенциально помог создать строительные блоки жизни, происходит в каждой капле дождя, водопаде и волне. В обычном плеске воды кроется возможный секрет зарождения жизни.