物理学者、ダーウィンの「暖かい小さな池」での生化学反応を追跡 – Physics World

19億年前に初めて地球上に生命が誕生したとき、その始まりはXNUMX世紀の博物学者チャールズ・ダーウィンが「温かい小さな池」と呼んだ場所、つまり、最初は生命のなかった有機分子のスープを含む火山で加熱された池だったかもしれない。 最近の研究では、スイスとドイツの研究者らが、そのような分子のXNUMXつである尿素が電離放射線パルスにどのように反応するかを調べることで、この問題にさらに光を当てた。 超高速 X 線吸収分光法を使用して化学反応をリアルタイムで追跡する彼らの研究の結果は、生命の生化学的起源についての理解を前進させる可能性があります。

尿素が電離放射線にさらされると、マロン酸が形成されます。 次に、この酸はイオン化していない尿素と反応して、RNA と DNA の基本成分であるいくつかの核酸塩基を形成します。 このようなプロセスは、「暖かい小さな池」が太陽の紫外線にさらされたときに起こった可能性が高く、初期の生命体の出現に役割を果たした可能性があります。

XNUMXつのパルス

彼らの実験では、研究者らは以下のことを主導しました。 ジャン＝ピエール・ヴォルフ ジュネーブ大学 および ハンス・ヤコブ・ヴェルナー at ETHチューリッヒ、スイスは、高濃度の尿素溶液にレーザー パルスを照射し、尿素分子の一部が電子を失ってイオン化するようにしました。 その直後、彼らは軟X線の超短パルスを送り込んだ。 この XNUMX 番目のパルスは、尿素分子が電子の損失にどのように反応するかを明らかにします。

研究者らは、電離レーザーパルスと軟X線パルスの間の時間間隔を変えて実験を数回繰り返した。 時間分解 X 線吸収分光法 (XAS) として知られるこの技術は、材料内の特定の粒子を研究するために光学領域で日常的に使用されていますが、この研究はそれを電磁スペクトルの X 線部分に拡張します。

「また、できる限り『現実世界』に近い実験条件を再現したかったので、液相で測定を行う必要がありました」と研究主任著者は説明します ジョン・イン、ETHチューリッヒチームの元メンバーで、現在は 東北大学 日本で。 「このために、私たちはサブミクロンの厚さの液体フラットシートを開発しました。これは、システムの減衰長が非常に短いため、アーチファクトのないXASに必要です。」

この実験のもう一つの重要な要素は、その光源が尿素分子の炭素と窒素の吸収端をカバーするのに十分な広さのエネルギー範囲にわたって超短パルスを発することができることだとイン氏は付け加えた。 「これは、液体の水には炭素や窒素が含まれていないため、吸収シグナルが尿素のみから来ていることを特定できることを意味します」と彼は語ります。 物理学の世界.

フェムト秒スケールの分解能

この技術を使用して、チームは数フェムト秒 (10 フェムト秒) のスケールで一連のイベントを再構築することができました。^-15 s) これは、研究者が化学反応をリアルタイムで追跡し、システムがどのように進化するかを観察できることを意味します。 ただし、新しい技術と適切なツールを使用したとしても、それは簡単ではありませんでした。 「スペクトルの解釈は特に困難であることが判明し、DESY で長年にわたって開発した詳細なコンピュータ シミュレーションが必要でした」と、ハンブルクの DESY の CFEL の理論物理学者である Ludger Inhester 氏は説明します。

明るい原始星は、地球の水の起源に光を当てる

研究者らは、尿素分子がイオン化すると（つまり、電子を失ってプラスになると）、陽子（水素原子核）を近くの中性でイオン化していない尿素分子に押し上げて、これを失わせようとすることを観察しました。正の電荷。 「このフェムト秒速度のプロトン移動により、正に帯電した尿素イオンとともに尿素ラジカルが生成されます」とインヘスター氏は言う。 「どちらも化学反応性があり、数十億年前に初期生命の必須構成要素であるRNA分子の形成を引き起こした可能性があります。」

新しい実験は、水性環境における分子におけるこのような極めて速いプロセスを初めて観察したものである、と彼は付け加えた。 これまでの実験は気相で行われていましたが、特に生物学的プロセスを理解する場合には、水中に浮遊する分子の挙動を観察することが重要です。

ハンブルク、ジュネーブ、チューリッヒのチームのメンバーは、イオン化ダイナミクスの最初のステップをさらに調査したいと考えています。 「このような実験にはさらに高い時間分解能が必要であり、準備には時間がかかります」とイン氏は言う。 「しかし、これを実行すると、何か新しくてエキサイティングなことが観察できると確信しています。」

彼らの現在の研究については、以下で詳しく説明されています。 自然.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/physicists-track-biochemical-reactions-in-darwins-warm-little-ponds/