Химическое соединение, известное своей смертельной опасностью для человека, возможно, сыграло неожиданно важную роль на самых ранних этапах зарождения жизни на Земле. Речь идет о цианистом водороде, который при низких температурах способен замерзать, образуя кристаллы. Новое компьютерное моделирование, результаты которого опубликованы в журнале «ACS Central Science», предполагает, что определенные поверхности этих кристаллов обладают необычайно высокой реакционной способностью. Это позволяет запускать химические процессы, которые в обычных условиях в таком холоде не происходят. По мнению исследователей, именно эти реакции могли положить начало цепочке событий, приведших к появлению нескольких фундаментальных строительных блоков жизни.
«Возможно, мы никогда не узнаем в точности, как именно зародилась жизнь, но понимание того, как формировались некоторые из ее компонентов, вполне достижимо. Цианистый водород, вероятно, является одним из источников этой химической сложности, и мы показываем, что он может реагировать на удивление быстро в холодных условиях», – поясняет Мартин Рам, ведущий автор исследования. Подобные процессы могли происходить на ранней Земле или на других холодных небесных телах, где условия для зарождения жизни были благоприятными.
Цианистый водород – не редкость во Вселенной. Его следы были обнаружены на кометах, а также в атмосферах планет и их спутников, например, на Титане, луне Сатурна. При взаимодействии с водой цианистый водород может давать начало образованию полимеров, аминокислот и нуклеиновых оснований – компонентов белков и нитей ДНК. Чтобы лучше понять, насколько реакционноспособной может быть эта молекула, Марко Капеллетти, Хильда Сандстрём и Мартин Рам использовали компьютерное моделирование для изучения цианистого водорода в его замерзшем, кристаллическом состоянии.
В ходе симуляций команда смоделировала стабильный кристалл цианистого водорода в форме длинного цилиндра длиной около 450 нанометров. Структура имела закругленное основание и вершину с множеством плоских граней, напоминающих ограненный драгоценный камень. Такая форма близка к ранее наблюдавшимся кристаллическим образованиям, которые описывались как «паутина», расходящаяся из центральной точки, где сходятся многогранные концы.
Расчеты показали, что эти замерзшие кристаллы способны стимулировать химические реакции, которые обычно не происходят в условиях экстремального холода. Анализируя химическое поведение поверхностей кристалла, исследователи выявили два пути реакции, которые могли превращать цианистый водород в изоцианид водорода – более активное соединение. В зависимости от температуры это превращение могло произойти за считаные минуты или занять несколько дней. Наличие изоцианида водорода на поверхности кристалла, по словам ученых, значительно увеличивает вероятность образования на ней еще более сложных пребиотических молекул.
Команда надеется, что их выводы вдохновят на проведение лабораторных экспериментов для проверки этих предсказаний. Один из предлагаемых подходов заключается в измельчении кристаллов цианистого водорода в присутствии таких веществ, как вода, чтобы обнажить свежие кристаллические поверхности. Затем ученые могли бы наблюдать, способствуют ли эти поверхности образованию сложных молекул в условиях очень низких температур, воссоздавая химическую колыбель жизни в лаборатории.
