Открытие, опубликованное в журнале Chemical Communications, объясняет, как некоторые из ключевых строительных блоков органической химии уже формировались в природе еще до появления жизни — и, возможно, сыграли роль в появлении первых форм жизни. Он также имеет потенциальное практическое применение, показывая, как такие продукты, как пластмассы и топливо, могут быть синтезированы из CO2, а не из нефти.
«Есть много предположений, что гидротермальные источники могут быть местом, где зародилась жизнь на Земле», — говорит Нора де Леу, возглавляющая группу. «В воде содержится много CO2, растворенного в воде, который может обеспечить углерод, на котором основан химический состав живых организмов, и есть много энергии, потому что вода горячая и бурная. Наши исследования доказывают, что эти вентиляционные отверстия также обладают химическими свойствами, которые побуждают эти молекулы рекомбинировать в молекулы, обычно связанные с живыми организмами ».
Команда объединила лабораторные эксперименты с суперкомпьютерным моделированием, чтобы исследовать условия, при которых минеральные частицы будут катализировать превращение CO2 в органические молекулы. Эксперименты воспроизводили условия, существующие в глубоководных жерлах, где горячая и слабощелочная вода, богатая растворенным CO2, проходит через минерал грейгит (Fe3S4), расположенный на внутренних поверхностях жерл.
Эти эксперименты намекали на происходящие химические процессы. Моделирование, которое проводилось на суперкомпьютере Legion от UCL и HECToR (британская национальная суперкомпьютерная служба), предоставило молекулярное представление о том, как взаимодействуют CO2 и грейгит, помогая разобраться в том, что наблюдалось в экспериментах. Вычислительная мощность и опыт программирования для точного моделирования поведения отдельных молекул таким образом стали доступны только в последнее десятилетие.
«Мы обнаружили, что поверхности и кристаллические структуры внутри этих отверстий действуют как катализаторы, способствуя химическим изменениям в материале, который на них оседает», — говорит Натан Холлингсворт, соавтор исследования. «Они ведут себя так же, как ферменты в живых организмах, разрушая связи между атомами углерода и кислорода. Это позволяет им соединяться с водой с образованием муравьиной кислоты, уксусной кислоты, метанола и пировиноградной кислоты.
Если у вас есть простые химические вещества на основе углерода, такие как это открывает дверь в более сложную углеродную химию ».Теории возникновения жизни предполагают, что все более сложная химия на основе углерода привела к самовоспроизводящимся молекулам и, в конечном итоге, к появлению первых клеточных форм жизни. Это исследование показывает, как мог произойти один из первых шагов на этом пути.
Это доказательство того, что простые органические молекулы могут быть синтезированы в природе без присутствия живых организмов. Это также подтверждает, что гидротермальные источники являются вероятным местом, по крайней мере, для того, чтобы частично этот процесс произошел.Это исследование также может иметь практическое применение, поскольку оно обеспечивает метод создания углеродных химикатов из CO2 без необходимости использования экстремального тепла или давления. В долгосрочной перспективе это может заменить нефть в качестве сырья для таких продуктов, как пластмассы, удобрения и топливо.
Это исследование показывает, хотя и в очень небольшом масштабе, что такие продукты, которые в настоящее время производятся из невозобновляемого сырья, могут производиться более экологически безопасными способами. Если этот процесс может быть расширен до коммерчески жизнеспособных масштабов, он не только сэкономит нефть, но и будет использовать CO2 — парниковый газ — в качестве сырья.