チューリッヒ工科大学とジュネーブ大学の科学者は、液体中で起こる化学反応を極めて高い時間分解能で観察できる新しい技術を開発しました。この技術革新により、分子がわずか数フェムト秒 (つまり、1 兆分の 1 秒) でどのように変化するかを追跡できるようになりました。
研究者らは、液体中の化学反応を観察する新しい方法を開発し、地球上の生命の出現に寄与した可能性のある尿素などの分子が関与する反応を明らかにした。この技術には、小さな液体ジェットを生成する特別な機器と X 線分光法が含まれており、科学者はフェムト秒程度で起こる反応を研究することができます。
この画期的な成果は、チューリッヒ工科大学物理化学教授ハンス・ヤコブ・ヴェルナー率いる同じ研究グループによる以前の研究に基づいています。この研究により、ガス環境で起こる反応についても同様の結果が得られました。
X線分光観察を液体に拡張するには、研究者は真空中で直径1ミクロン未満の液体ジェットを生成できる装置を設計する必要がありました。ジェットの幅が広いと、測定に使用される X 線の一部が吸収されるため、これは非常に重要です。
この新しい方法を使用することで、研究者は地球上に生命が誕生したプロセスについての洞察を得ることができます。多くの科学者は、尿素がこれに重要な役割を果たしていると信じています。尿素は炭素と窒素を含む最も単純な分子の 1 つです。
さらに重要なことは、1950年代の有名な実験でも示されているように、尿素は地球が非常に若い頃に存在していた可能性が最も高いということです。アメリカの科学者スタンレー・ミラーは、地球の元の大気を構成していると考えられるガスの混合物を準備し、それを雷雨条件にさらしました。これにより一連の分子が生成され、その 1 つが尿素です。
現在の理論によれば、尿素は、原始スープと呼ばれる、当時生命のなかった地球上の暖かい水たまりに濃縮されていた可能性があります。スープ内の水分が蒸発すると、尿素の濃度が増加します。宇宙線などの電離放射線の影響下で、これらの濃縮尿素は複数の合成ステップを経てマロン酸を生成する可能性があります。これにより、RNA と DNA の構成要素が生成された可能性があります。
新しい方法を使用して、チューリッヒ工科大学とジュネーブ大学の研究者は、この長い化学反応の連鎖の最初のステップを研究し、電離放射線に曝露されたときに濃縮尿素溶液がどのように挙動するかを調べました。
濃縮尿素溶液中の尿素分子は、それ自体でペアを形成し、いわゆる二量体であることを知っておく必要があります。研究者らは今回、電離放射線が各二量体の1つの水素原子をある尿素分子から別の尿素分子に移動させることを示すことができた。このようにして、一方の尿素分子はプロトン化された尿素分子になり、もう一方の尿素分子は尿素ラジカルになります。後者は化学反応性が高く、実際、非常に反応性が高いため、他の分子と反応してマロン酸を形成する可能性があります。
研究者らはまた、この水素原子の移動が非常に速く起こり、所要時間はわずか約 150 フェムト秒、つまり 150 京分の 1 秒であることを示すことにも成功しました。 「この反応は非常に速いので、理論的には起こり得る他のすべての反応がこの反応に取って代わられます」とヴェルナー氏は言う。 「これは、なぜ濃縮尿素溶液が他の分子を生成する他の反応を起こすのではなく、尿素ラジカルを生成するのかを説明しています。」
ヴェルナー氏らは、マロン酸塩の形成に至る次の段階を研究したいと考えており、これが地球上の生命の起源を理解するのに役立つことを期待している。
彼らの新しい方法に関しては、一般に液体中の化学反応の正確な順序を研究するためにも使用できます。 「人体のすべての生化学プロセスだけでなく、産業に関連する多数の化学合成も含め、液体中ではさまざまな重要な化学反応が発生します」とヴェルナー氏は述べた。 「そのため、高時間分解能のX線分光法の範囲を拡大し、液体中の反応も含めることが非常に重要です。」