尿素如何成为生命之门

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。这意味着他们可以在短短几飞秒内(换句话说，在几万亿分之一秒内)检查分子如何变化。该方法基于苏黎世联邦理工学院物理化学教授HansJakobWörner领导的同一研究小组早期所做的工作。这项工作对气体环境中发生的反应产生了类似的结果。

为了将X射线光谱观测扩展到液体，研究人员必须设计一种能够在真空中产生直径小于一微米的液体射流的装置。这是至关重要的，因为如果射流再宽一些，它就会吸收一些用于测量它的X射线。该工作发表在《自然》杂志上。

生物化学的分子先驱

使用新方法，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发挥了关键作用。它是含有碳和氮的最简单的分子之一。更重要的是，即使在地球还很年轻的时候，尿素就很可能存在，这一点在20世纪50年代进行的一项著名实验中也得到了证实：美国科学家斯坦利·米勒(StanleyMiller)调制了这些气体的混合物，据信构成了地球的原始气体。大气并将其暴露在雷暴的条件下。这产生了一系列分子，其中之一是尿素。

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(通常称为原始汤)中浓缩。随着汤中的水蒸发，尿素的浓度增加。通过暴露于宇宙射线等电离辐射下，这种浓缩尿素可能通过多个合成步骤产生丙二酸。反过来，这可能创造了RNA和DNA的组成部分。

为什么会发生这种确切的反应

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

重要的是要知道浓缩尿素溶液中的尿素分子会自行成对，即所谓的二聚体。研究人员现在已经证明，电离辐射会导致这些二聚体中的每一个中的氢原子从一个尿素分子移动到另一个尿素分子。这将一个尿素分子变成质子化尿素分子，另一个变成尿素自由基。后者具有高度化学反应性——事实上，它的反应性非常高，以至于它很可能与其他分子发生反应，从而也形成丙二酸。

研究人员还成功证明，氢原子的这种转移发生得非常快，只需要大约150飞秒，即150万亿分之一秒。“速度如此之快，以至于这种反应先于理论上可能发生的所有其他反应，”沃尔纳说。“这解释了为什么浓缩尿素溶液会产生尿素自由基，而不是发生会产生其他分子的其他反应。”

液体中的反应高度相关

未来，沃尔纳和他的同事希望研究导致丙二酸形成的后续步骤。他们希望这能帮助他们了解地球上生命的起源。

至于他们的新方法，通常也可用于检查液体中化学反应的精确顺序。“许多重要的化学反应都在液体中发生——不仅是人体内的所有生化过程，而且还有许多与工业相关的化学合成，”沃尔纳说。“这就是为什么我们现在扩大了高时间分辨率X射线光谱的范围以包括液体中的反应是如此重要。”

苏黎世联邦理工学院和日内瓦大学的研究人员在这项工作中得到了汉堡DeutschesElektronen-SynchrotronDESY同事的协助，他们进行了解释测量数据所需的计算。