Мочевина — один из ключевых химических продуктов в мире. Ее используют как удобрение, для производства синтетических смол, взрывчатки и даже как добавку к топливу, чтобы очищать выхлопные газы машин. Ученые также считают, что мочевина могла сыграть важную роль в зарождении жизни — например, стать «кирпичиком» для молекул РНК и ДНК. Но до сих пор не было ясно, как она вообще появилась на ранней Земле.

Группа исследователей под руководством Рут Сигнорелл, профессора физической химии из ETH Zurich, обнаружила новый путь образования мочевины, который может дать ответ. Их работа вышла в журнале Science.

Химия на границе воды и воздуха

Промышленное производство мочевины из аммиака (NH₃) и углекислого газа (CO₂) требует высоких температур, давления или катализаторов. В живых организмах эту реакцию проводят ферменты, превращая токсичный аммиак в мочевину. Поскольку это простое соединение содержит и азот, и углерод, многие ученые видят в нем возможный «строительный материал» для первых биомолекул.

Мы показали, как мочевина могла образоваться на доисторической Земле, — говорит Сигнорелл, — и ключевую роль здесь сыграла поверхность воды, где она контактирует с атмосферными газами.

Мини-реактор в капле

Ученые исследовали крошечные капли воды, похожие на те, что образуются в морских брызгах или тумане. Оказалось, что мочевина может спонтанно возникать из CO₂ и NH₃ прямо в поверхностном слое капли — при обычных температуре и давлении. Граница между воздухом и жидкостью создает уникальные условия, которые делают эту реакцию возможной.

Капля — идеальный микрорeактор: у нее огромная поверхность по сравнению с объемом, и химические процессы идут в основном у края. Здесь возникают необычные градиенты pH, которые запускают реакции, невозможные в объеме жидкости.

Самое удивительное, что для этого не нужно ни нагревания, ни катализаторов, — объясняет Мерседе Мохаджер Азизбайиг, одна из авторов работы.

Это не только упрощает промышленный синтез, но и дает подсказки о том, как могла зародиться жизнь.

Окно в прошлое Земли

Теоретические расчеты подтвердили: реакция действительно идет без дополнительной энергии. Это значит, что в атмосфере ранней Земли, богатой CO₂ и следами аммиака, такие процессы могли идти постоянно — например, в каплях тумана или морских аэрозолях.

Наше исследование доказывает, что даже обычные поверхности могут стать местом для неожиданных химических превращений, — говорит Сигнорелл. — Возможно, ключевые для жизни молекулы возникали гораздо проще, чем мы думали.

Кстати, этот же механизм может пригодиться и сегодня — для экологичного производства мочевины без гигантских энергозатрат.

Помимо фундаментального значения (понимание химии ранней Земли), у работы есть практические перспективы:

• Зеленая химия — если удастся масштабировать реакцию на поверхности капель, можно снизить энергозатраты при производстве удобрений.
• Атмосферные процессы — открытие помогает моделировать химию аэрозолей, что важно для климатологии.
• Астробиология — если мочевина легко образуется в таких условиях, ее стоит искать на других планетах как маркер возможной пребиотической химии.

Пребиотическая химия — раздел науки, изучающий, как простые молекулы (вода, аммиак, углекислый газ) могли самопроизвольно объединяться в сложные органические соединения (белки, РНК) до появления жизни.

Отметим, что исследование проводилось в идеализированных условиях: чистые газы, контролируемый размер капель. В реальности ранняя Земля имела сложный состав атмосферы (метан, сера, вулканические газы), который мог подавлять или видоизменять эту реакцию. Кроме того, неясно, насколько эффективен процесс — сколько мочевины реально могло накопиться за разумное время.

Ранее ученые выяснили, как остановить разрушение печени из-за высокого уровня аммиака в организме.