Американські фізики змоделювали зрушення дванадцяти молекул гліцину між віртуальними алмазними ковадлами - за допомогою аналізу хімічного зв'язку вони виявили багато важких молекул і невідому реакцію конденсації трьох молекул гліцину в дімір і тріол, яка протікає тільки при зрушенні навантаження. Стаття, в якій моделювали пребіотичний синтез молекул з гліцину при ударі метеорита, опублікована в журналі.
Походження життя на нашій планеті (і потенційно на інших планетах) до кінця не вивчено - на сьогоднішній день є багато теорій, як з'явилися перші біологічні структури в умовах давньої Землі. Для утворення складних білкових структур в екстремальних умовах потрібен був будівельний матеріал - амінокислоти. Найпростішу амінокислоту - гліцин - вже знаходили в метеоритах і на кометах. Багато авторів пропонували свої варіанти утворення білків з амінокислот: наприклад, цьому могли сприяти підводні гідротермальні джерела, а також падіння метеоритів.
Вчені вже проводили експерименти і моделювання ударних стиснень амінокислот. Наприклад, при тиску від 5 до 21 гігапаскаля і в температурному інтервалі 412-870 кельвін з гліцину виходять дімери, а при 26 гігапаскалях і температурі в 77 кельвін гліцин і аланін прореагували з утворенням тримерів. Але і при менш жорстких умовах з сухого гліцину при тиску в 5-100 мегапаскалей виходять олігомери аж до десяти гліцинових одиниць, але на протікання такої реакції потрібно місяць. При цьому область впливу зрушених навантажень на пребіотичний синтез все ще не порушена, хоча вони локально можуть знизити енергію активації і тим самим прискорити протікання реакцій.
Бред Стіл (Brad A. Steele) з колегами з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса застосував метод віртуальної обертової алмазної ковадла за допомогою моделювання молекулярної динаміки. Цей підхід симуляції більш реалістичний, ніж роботи з аналогічною метою, але в яких зрушення прикладали віртуально до періодичної модельованої решітки.
Щоб провести симуляцію, фізики використовували метод самоузгодженого сильного зв'язку функціоналу щільності заряду. При цьому алмазні ковадла складалися з двох 2D-періодичних кристалів алмазу з граничними атомами водню на межі (111) - цю конфігурацію вибрали, щоб зменшити внесок дипольного моменту на поверхні ковадло. Між алмазними ковадлами розташували 12 молекул гліцину з випадковою орієнтацією. Щоб збільшити тиск, вчені зменшували відстань між ковадлами, при цьому одна з оберталася при стисненні. Вчені вибрали дві швидкості обертання: один і половина ангстрема в пікосекунду, що відповідає зрушенню швидкості при ударі метеорита (фізики шукали верхню межу, можливу в умовах Землі).
Розрахувавши траєкторії атомів в молекулах гліцину, фізики визначили хімічні сполуки за довжинами зв'язку і часу життя. Виходячи з цього вони порахували масові частки молекул для кожної траєкторії і концентрацію кожної з передбачених речовин. У підсумку автори набрали десять експериментів з різним тиском (від 2,9 до 15,6 гігапаскаля) і з різними швидкостями обертання ковадло (один і половина ангстрема в пікосекунду) - для кожних умов моделювання протягом 25 пікосекунд проводилося десятиразово для набору статистики.
Виходячи з аналізу хімічних зв'язків, при тисках до 6,7 гігапаскаля автори виявили лише незначні зміни в атомних конфігураціях молекул гліцину при обох швидкостях обертання, проте при більш високих тисках (10,2 і 15,6 гігапаскаля) зміни виявилися значними - з 12 молекул гліцину вийшло 256 різних молекул, багато з яких були нестійкими і розпадалися менш ніж за 50 пікосекунд. Серед виявлених стабільних молекул фізики виділили дві категорії: олігомери гліцину, у яких співвідношення вуглецю, кисню та азоту збігається зі співвідношенням у гліцині; а також категорію стійких великих молекул, чия маса була більше маси гліцинового тримера і чий масовий вміст був більше двох відсотків.
Простеживши за масовими спектрами виявлених молекул, вчені встановили наступні тренди. Чим більший тиск, тим більше молекул гліцину утворюють великі молекули, включаючи дімери, інші поліпептиди і циклічні молекули. Зміст дімерів і тримерів так само скорочувався на користь більш великих олігомерів - автори статті припускають, що вони є проміжними з'єднаннями на шляху до стабільних важких молекулів. Точної залежності від швидкості зрушення вчені не встановили, однак при відсутності обертання виходило набагато менше великих молекул.
З несподіваних результатів фізики виділили утворення дімеру без утворення води - пильно розгледівши молекулярну динаміку при такій реакції, вчені зафіксували реакцію між трьома гліциновими молекулами з утворенням дімеру і тріолу, який при подальших зрушеннях вбудовувався в інші важкі молекули. При цьому у відсутності зрушення такої реакції не спостерігалося. До того ж несподіваним стало і утворення невеликих гетероциклів, що зустрічаються в природі (діоксолан і оксазол), і хіральних молекул з ахіральних прекурсорів. Таким чином, автори статті показали, які реакції могли протікати в процесі зародження життя на Землі з найпростішою амінокислотою при ударному зрушенні.
Метеорити, ймовірно, зробили значний внесок у зародження життя на Землі. Не так давно астрономи виявили сліди метеоритного дощу на Місяці, що стався 800 мільйонів років тому. Вони могли принести на Землю фосфор - ще один важливий елемент для розвитку життя.