Eine neue Technologie wirft Licht auf ein seit langem bestehendes Rätsel: Wie entstand das Leben auf der Erde? Bevor Leben auf der Erde entstand, was Forscher als präbiologisches Stadium bezeichnen, war die Atmosphäre weniger dicht. Das bedeutet, dass energiereiche Strahlung aus dem Weltraum überall ist und Moleküle ionisiert.
Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Einwirkung dieser intensiven Strahlung auf kleine Pfützen, die Harnstoff, eine organische Verbindung, die für die Bildung von Nukleobasen entscheidend ist, enthielten, die Umwandlung von Harnstoff in Reaktionsprodukte verursachte. Diese Produkte sind die Bausteine des Lebens: DNA und RNA.
Um diesen Prozess jedoch besser zu verstehen, müssen Wissenschaftler den Mechanismus hinter der Harnstoffionisierung und -reaktion sowie den Reaktionsweg und den Energieverbrauch weiter untersuchen.
Ein internationales Kooperationsteam bestehend aus dem korrespondierenden Autor Yin Zhong, derzeit außerordentlicher Professor am International Center for Synchrotron Radiation Innovation and Intelligence (SRIS) der Northeastern University, und Kollegen der Universität Genf (UNIGE), der ETH Zürich (ETHZ) und der Universität Hamburg, enthüllte mithilfe einer innovativen Röntgenspektroskopiemethode weitere Informationen.
Diese Technologie nutzt eine Lichtquelle, die Oberwellen höherer Ordnung erzeugt, und einen Submikron-Flüssigkeitsebenen-Ejektor, der es Forschern ermöglicht, in Flüssigkeiten ablaufende chemische Reaktionen mit beispielloser zeitlicher Präzision zu untersuchen. Am wichtigsten ist, dass diese bahnbrechende Methode es Forschern ermöglicht, die komplexen Veränderungen im Harnstoffmolekül auf der Femtosekundenebene, also einer Billiardstel Sekunde, zu untersuchen.
„Wir haben zum ersten Mal die Reaktion von Harnstoffmolekülen nach der Ionisierung nachgewiesen. Ionisierende Strahlung zerstört das Harnstoff-Biomolekül. Bei der Ableitung der Strahlungsenergie durchläuft Harnstoff jedoch einen dynamischen Prozess, der auf der Femtosekunden-Zeitskala abläuft“, sagte Yin.
Bisherige Untersuchungen molekularer Reaktionen beschränkten sich auf die Gasphase. Um diese Forschung auf wässrige Umgebungen auszudehnen, die natürliche Umgebung für biochemische Prozesse, musste das Team ein Gerät entwickeln, das im Vakuum ultradünne Flüssigkeitsstrahlen mit einer Dicke von weniger als einem Millionstel Meter erzeugen kann. Dickere Flüssigkeitsströme absorbieren einen Teil der Röntgenstrahlung und erschweren so Messungen.
Yin, der als leitender Experimentator fungiert, glaubt, dass ihr Durchbruch nicht nur die Entstehung des Lebens auf der Erde erklärt. Es eröffnete auch einen neuen Weg in der neuartigen Wissenschaft der Atomchemie. „Kürzere Lichtpulse sind notwendig, um chemische Reaktionen in Echtzeit zu verstehen und das Gebiet der Attochemie voranzubringen. Unsere Methode ermöglicht es Wissenschaftlern, molekulare Filme zu beobachten und dabei jeden Schritt des Prozesses zu verfolgen.“