新技术揭示尿素如何为生命“垫脚”

尿素在地球刚形成时的条件下反应非常快。这一新发现进一步加深了我们对地球生命起源的理解。

　　

苏黎世联邦理工学院和日内瓦大学的研究人员开发了一种新方法，使他们能够以极高的时间分辨率观察液体中发生的化学反应。这意味着他们可以研究分子在几飞秒内是如何变化的——换句话说，在几万亿分之一秒内。该方法是基于由苏黎世联邦理工学院物理化学教授Hans Jakob Wörner领导的同一组研究人员早期所做的工作。这项工作对发生在气体环境中的反应也得出了类似的结果。

为了将他们的X射线光谱观察扩展到液体，研究人员必须设计一种能够在真空中产生直径小于1微米的液体射流的设备。这是必不可少的，因为如果喷流再宽一点，它就会吸收一些用来测量它的x射线。

生物化学分子先驱

利用这种新方法，研究人员能够深入了解导致地球上生命出现的过程。许多科学家认为尿素在这里起了关键作用。它是包含碳和氮的最简单的分子之一。更重要的是，尿素很可能在地球非常年轻的时候就已经存在了，这一点在20世纪50年代的一个著名实验中也得到了证实:美国科学家斯Stanley Miller调制了一种被认为构成地球原始大气的气体的混合物，并将其暴露在雷暴的条件下。这产生了一系列分子，其中一个是尿素。

根据目前的理论，尿素可能在当时没有生命的地球上的温暖水坑中富集——通常被称为原始汤。随着汤里的水蒸发，尿素的浓度增加了。通过暴露在电离辐射(如宇宙射线)下，这种浓缩尿素有可能经过多个合成步骤产生丙二酸。反过来，这可能创造了RNA和DNA的基石。

为什么要选这个反应工具的地方

利用他们的新方法，来自苏黎世联邦理工学院和日内瓦大学的研究人员研究了这一系列化学反应的第一步，以找出浓缩尿素溶液在暴露于电离辐射时的行为。

重要的是要知道，在浓尿素溶液中，尿素分子是成对的，也就是二聚体。正如研究人员现在已经能够证明的那样，电离辐射导致这些二聚体中的一个氢原子从一个尿素分子移动到另一个尿素分子。这使一个尿素分子变成质子化的尿素分子，另一个变成尿素自由基。后者的化学反应性很强事实上，它非常活跃，很可能与其他分子反应，从而形成丙二酸。

研究人员还设法证明，氢原子的这种转移发生得非常快，只需要大约150飞秒，或150千万亿分之一秒。Wörner说:“这是如此之快，以至于这个反应抢在了理论上可能发生的所有其他反应之前。这解释了为什么浓尿素溶液会产生尿素自由基，而不是产生其他分子的其他反应。”

液体中的反应是高度相关的

在未来，Wörner和他的同事们想要研究导致丙二酸形成的下一步步骤。他们希望这将有助于他们了解地球上生命的起源。

至于他们的新方法，它通常也可以用来检查液体中化学反应的精确顺序。“许多重要的化学反应都是在液体中发生的——不仅是人体内所有的生化过程，还有许多与工业有关的化学合成，”Wörner说。“这就是为什么我们现在扩大了高时间分辨率的X射线光谱学的范围，以包括液体中的反应，这是如此重要。”

来自苏黎世联邦理工学院和日内瓦大学的研究人员在汉堡德国电子同步加速器研究所的同事的协助下进行了这项工作，他们进行了解释测量数据所需的计算。

Femtosecond Proton Transfer in Urea Solutions Probed by X-ray Spectroscopy