취리히연방공과대학(ETH Zurich)과 제네바 대학교(University of Geneva)의 과학자들은 매우 높은 시간 분해능으로 액체에서 일어나는 화학 반응을 관찰할 수 있는 새로운 기술을 개발했습니다. 이러한 혁신을 통해 연구진은 단 몇 펨토초(즉, 1조분의 1초) 만에 분자가 어떻게 변화하는지 추적할 수 있습니다.
연구원들은 액체의 화학 반응을 관찰하는 새로운 방법을 개발하여 지구상 생명체의 출현에 기여했을 수 있는 요소와 같은 분자와 관련된 반응을 밝혀냈습니다. 이 기술에는 작은 액체 제트와 X선 분광학을 생성하는 특수 장비가 포함되어 있어 과학자들은 펨토초 단위로 발생하는 반응을 연구할 수 있습니다.
이 획기적인 연구는 ETH Zurich의 물리화학 교수인 Hans Jakob Wörner가 이끄는 동일한 연구 그룹의 이전 연구를 기반으로 합니다. 이 연구는 기체 환경에서 발생하는 반응에 대해 유사한 결과를 가져왔습니다.
X선 분광 관찰을 액체로 확장하기 위해 연구자들은 진공에서 직경이 1미크론 미만인 액체 제트를 생성할 수 있는 기기를 설계해야 했습니다. 제트가 더 넓으면 측정에 사용되는 X선의 일부를 흡수하기 때문에 이는 매우 중요합니다.
이 새로운 방법을 사용하여 연구자들은 지구에 생명체가 출현하는 과정에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 많은 과학자들은 요소가 이에 중요한 역할을 한다고 믿습니다. 요소는 탄소와 질소를 포함하는 가장 간단한 분자 중 하나입니다.
더 중요한 것은 1950년대의 유명한 실험에서도 알 수 있듯이 요소가 지구가 아주 어릴 때 존재할 가능성이 가장 높았다는 것입니다. 미국 과학자 Stanley Miller는 지구의 원래 대기를 구성한다고 믿어지는 가스 혼합물을 준비하여 뇌우 조건에 노출시켰습니다. 이것은 일련의 분자를 생성하는데, 그 중 하나가 요소입니다.
현재 이론에 따르면 요소는 당시 생명이 없던 지구의 따뜻한 웅덩이(흔히 원시 수프라고 불림)에 풍부했을 수 있습니다. 수프의 물이 증발함에 따라 요소의 농도가 증가합니다. 우주선과 같은 이온화 방사선의 영향으로 이러한 농축된 요소는 여러 합성 단계를 거쳐 말론산을 생성할 수 있습니다. 이는 결국 RNA와 DNA의 구성 요소를 생산했을 수도 있습니다.
취리히 연방공과대학교(ETH Zurich)와 제네바 대학교(University of Geneva)의 연구원들은 새로운 방법을 사용하여 이온화 방사선에 노출되었을 때 농축된 요소 용액이 어떻게 반응하는지 알아내기 위해 이 긴 화학 반응 사슬의 첫 번째 단계를 연구했습니다.
농축 요소 용액의 요소 분자는 스스로 쌍을 형성하는데, 이를 이량체라고 합니다. 이제 연구자들은 이온화 방사선이 각 이합체의 수소 원자 하나를 한 요소 분자에서 다른 요소 분자로 이동하게 한다는 사실을 보여줄 수 있었습니다. 이러한 방식으로 하나의 요소 분자는 양성자화된 요소 분자가 되고, 다른 요소 분자는 요소 라디칼이 됩니다. 후자는 화학적으로 반응성이 매우 높습니다. 실제로 반응성이 너무 커서 다른 분자와 반응하여 말론산을 형성할 가능성이 높습니다.
연구원들은 또한 이러한 수소 원자의 이동이 매우 빠르게 발생하여 약 150펨토초, 즉 150조분의 1초 만에 일어난다는 것을 보여주었습니다. "이 반응은 너무 빨라서 이론적으로 일어날 수 있는 다른 모든 반응이 이 반응으로 대체됩니다."라고 Wörner는 말합니다. "이것은 다른 분자를 생성하는 다른 반응을 진행하는 대신 농축된 요소 용액이 요소 라디칼을 생성하는 이유를 설명합니다."
Wörner와 그의 동료들은 말로네이트 형성으로 이어지는 다음 단계를 연구하여 이것이 지구 생명의 기원을 이해하는 데 도움이 되기를 희망합니다.
새로운 방법은 일반적으로 액체에서 화학 반응의 정확한 순서를 연구하는 데에도 사용할 수 있습니다. Werner는 "인체의 모든 생화학적 과정뿐만 아니라 산업과 관련된 수많은 화학 합성을 포함하여 액체에서 다양한 중요한 화학 반응이 발생합니다."라고 말했습니다. "이것이 바로 우리가 고해상도 X선 분광학의 범위를 확장하여 액체에서의 반응도 포함시키는 것이 매우 중요한 이유입니다."