«Зарождение жизни» в каплях: показан механизм спонтанного образования мочевины

Мочевина (карбамид) — одно из важнейших органических соединений, лабораторный синтез которого из неорганических веществ стал поворотным моментом в опровержении виталистской теории. Однако до настоящего времени промышленное получение мочевины осуществлялось при специфических условиях: высокой температуре и высоком давлении. Ученые из Швейцарии показали возможность спонтанного синтеза мочевины из аммиака и углекислого газа в естественных условиях среды — эксперимент провели в микрокаплях жидкости, взвешенных в газовой фазе.

С помощью рамановской спектроскопии ученые показали, что химические реакции на поверхности единичных капель протекают по особому механизму, который радикально отличается от реакций в толще раствора. Характерное свойство микрокапель заключается в большом соотношении площади поверхности к объему, что создает особую динамику на границе раздела фаз, допускающую формирование локальных градиентов кислотности (pH). Авторы статьи сравнивают подобный механизм с проточным реактором, где два резервуара — внешняя часть капли с реагентами и внутренняя с продуктами — соединены направленным движением молекул, проходящих через необходимые стадии реакции. Авторы предполагают, что этот механизм может быть общим не только для синтеза мочевины, но и для других реакций, чувствительных к градиенту химического потенциала в поверхностных слоях жидкости.

Ученые предположили, что главное отличие механизма спонтанного образования мочевины от технологии промышленного производства лежит в промежуточном продукте реакции. При естественном синтезе им, вероятно, является карбаминовая кислота, тогда как промышленный путь через карбамат аммония не приводит к образованию мочевины в тех же экспериментальных условиях. Теоретические обоснования механизма реакции были подкреплены квантово-химическими расчетами, показавшими необходимость присутствия ионов гидроксония (H₃O⁺) для катализирования реакции — это требует локального снижения кислотности. На основе расчетов ученые разработали модель диффузии, которая предсказала концентрации мочевины, соответствующие начальным экспериментальным наблюдениям.

Таким образом, механизм спонтанного образования мочевины включает в себя катализируемое протонами образование карбаминовой кислоты и ее последующую реакцию с непротонированной формой аммиака, приводящую к образованию мочевины.

Исследование подчеркивает, что поверхность капли — это не просто граница между жидкостью и газом, а активная химическая среда, в которой могут возникать уникальные пути реакции. Это открытие может изменить подходы как к изучению происхождения жизни, так и к разработке новых методов синтеза органических соединений с низкими затратами энергии.

Древние рибозимы могли самореплицироваться за счет триплетов