Całe życie na Ziemi zbudowane jest z cząsteczek organicznych, związków zbudowanych z atomów węgla związanych z atomami innymi pierwiastków, takich jak wodór, azot i tlen. We współczesnym życiu większość tych organicznych cząsteczek powstaje w wyniku redukcji dwutlenku węgla (CO2) poprzez kilka szlaków „wiązania węgla” (takich jak fotosynteza w roślinach). Jednak większość z tych ścieżek albo wymaga energii z komórki, aby działać, albo uważano, że ewoluowały stosunkowo późno. Jak więc powstały pierwsze cząsteczki organiczne, zanim powstało życie?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, Victor Sojo i Reuben Hudson z Museum Gerstner Scholar z Collage of the Atlantic w stanie Maine opracowali nowatorską konfigurację opartą na reaktorach mikroprzepływowych, małych niezależnych laboratoriach, które pozwalają naukowcom badać zachowanie płynów — w tym przypadku, również gazy w mikroskali. W poprzednich wersjach reaktora próbowano zmieszać pęcherzyki wodoru i CO2 w cieczy, ale nie doszło do redukcji, prawdopodobnie dlatego, że wysoce lotny wodór ulatniał się, zanim zdążył zareagować. Rozwiązanie pojawiło się podczas dyskusji między Sojo i Hudsonem, którzy dzielili stanowisko laboratoryjne w Centrum Badań nad Zrównoważonymi Zasobami RIKEN w Saitama w Japonii. Ostatni reaktor został zbudowany w laboratorium Hudsona w Maine.
„Zamiast bąbelkowania gazów w płynach przed reakcją, główną innowacją nowego reaktora jest to, że płyny są napędzane przez same gazy, więc istnieje bardzo mała szansa na ich ucieczkę” – powiedział Hudson.
Naukowcy wykorzystali swój projekt do połączenia wodoru z CO2 w celu wytworzenia organicznej cząsteczki zwanej kwasem mrówkowym (HCOOH). Ten proces syntezy przypomina jedyną znaną ścieżkę wiązania CO2, która nie wymaga ogólnego zaopatrzenia w energię, zwaną ścieżką Wood-Ljungdahl acetylo-CoA. Z kolei proces ten przypomina reakcje, które mogły mieć miejsce w starożytnych oceanicznych kominach hydrotermalnych.
„Konsekwencje wykraczają daleko poza naszą własną biosferę” – powiedział Sojo. Podobne systemy hydrotermalne mogą dziś istnieć w innych częściach Układu Słonecznego, najbardziej zauważalnie na Enceladusie i Europie, odpowiednio księżycach Saturnach i Jowisza i tak przewidywanie w innych wodno-skalistych światach w całym wszechświecie.
Zrozumienie, w jaki sposób można zredukować dwutlenek węgla w łagodnych warunkach geologicznych, jest ważne dla oceny możliwości powstania życia na innych światach, co pozwala zrozumieć, jak powszechne lub rzadkie może być życie we wszechświecie — dodała Laurie Barge z NASA Jet Propulsion Laboratories, autor opracowania.
Naukowcy zamienili CO2 w cząsteczki organiczne w stosunkowo łagodnych warunkach, co oznacza, że odkrycia mogą mieć również znaczenie dla chemii środowiska. W obliczu trwającego kryzysu klimatycznego nieustannie poszukuje się nowych metod redukcji CO2.
„Wyniki tego artykułu dotykają wielu tematów, od zrozumienia źródeł metabolizmu, przez geochemię, która leży u podstaw cyklu wodoru i węgla na Ziemi, a także do zastosowań w zielonej chemii, gdzie praca inspirowana bio-geo może pomóc w promowaniu chemii reakcje w łagodnych warunkach” – dodał Shawn E. McGlynn, również autor badania, z siedzibą w Tokyo Institude of technology.
Innu autorzy tego badania to Ruvan de Graaf i Mari Strandoo Rodin z Collage of the Atlantic, Aya Ohno z RIKEN Center for Sustainable Resource Science w Japonii, Nick Lane z University Collage London, Yoichi MA Yamoda z RAIKEN, Ryuthei Nakamura z RAIKEN i Tokyo Institute of Technology oraz Dieter Braun z University Lutwig-Maximilians w Monachium.
Prace te były częściowo wspierane przez konsorcjum NASA Maine Space Grant Consortium, amerykańską National Science Fundation, Japan Society for the Promotion of Science, National Institutes of Health’s National Institute of General Medical Sciences, European Molecular Biology Organisation, Institute for Advanced Study w Berlinie oraz Gerstner Family Fundacja.
Amerykańscy naukowcy identyfikują proces, który był odpowiedzialny za tworzenie cząsteczek organicznych na Ziemi ok.4 miliardy lat temu.
