Un papel para el hierro meteorítico en el surgimiento de la vida en la Tierra

25 de mayo de 2023

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por la Sociedad Max Planck

Investigadores del Instituto Max Planck de Astronomía y la Universidad Ludwig Maximilians de Múnich han propuesto un nuevo escenario para la aparición de los primeros componentes básicos de la vida en la Tierra, hace aproximadamente 4.000 millones de años.

Experimentalmente, demostraron cómo las partículas de hierro de los meteoritos y de las cenizas volcánicas podrían haber servido como catalizadores para convertir una atmósfera temprana rica en dióxido de carbono en hidrocarburos, pero también en acetaldehído y formaldehído, que a su vez pueden servir como componentes básicos para los ácidos grasos, las nucleobases. , azúcares y aminoácidos. Su artículo, "Síntesis de compuestos orgánicos prebióticos a partir de CO2 mediante catálisis con partículas volcánicas y meteoríticas", se publica en la revista Scientific Reports.

Según nuestro conocimiento actual, la vida en la Tierra surgió entre 400 y 700 millones de años después de que se formara la Tierra. Ese es un desarrollo bastante rápido. A modo de comparación, considere que después, se necesitaron alrededor de 2 mil millones de años para que se formaran las primeras células (eucariotas) adecuadas. El primer paso hacia el surgimiento de la vida es la formación de moléculas orgánicas que puedan servir como bloques de construcción para los organismos. Dada la rapidez con que surgió la vida, sería plausible que este primer paso comparativamente simple también se hubiera completado rápidamente.

La investigación descrita aquí presenta una nueva forma para que tales compuestos orgánicos se formen a escala planetaria bajo las condiciones prevalecientes en la Tierra primitiva. El papel de apoyo clave recae en las partículas de hierro producidas a partir de meteoritos, que actúan como catalizador. Los catalizadores son sustancias cuya presencia acelera reacciones químicas específicas, pero que no se agotan en esas reacciones. De esa manera, son similares a las herramientas utilizadas en la fabricación: las herramientas son necesarias para producir, por ejemplo, un automóvil, pero después de que se construye un automóvil, las herramientas se pueden usar para construir el siguiente.

La inspiración clave para la investigación provino, sobre todo, de la química industrial. En concreto, Oliver Trapp, profesor de la Universidad Ludwig Maximilians de Múnich y becario Max Planck del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), se preguntó si el llamado proceso Fischer-Tropsch para convertir monóxido de carbono e hidrógeno en hidrocarburos en presencia de de catalizadores metálicos podría no haber tenido un análogo en una Tierra primitiva con una atmósfera rica en dióxido de carbono.

"Cuando observé la composición química del meteorito de hierro de Campo-del-Cielo, que consiste en hierro, níquel, algo de cobalto y pequeñas cantidades de iridio, inmediatamente me di cuenta de que se trata de un catalizador Fischer-Tropsch perfecto", explica Trapp. El siguiente paso lógico fue establecer un experimento para probar la versión cósmica de Fischer-Tropsch.

Dmitry Semenov, miembro del personal del Instituto Max Planck de Astronomía, dice: "Cuando Oliver me habló de su idea de investigar experimentalmente las propiedades catalíticas de las partículas de meteoritos de hierro para sintetizar los componentes básicos de la vida, mi primer pensamiento fue que también deberíamos estudiar las propiedades catalíticas de las partículas de ceniza volcánica. Después de todo, la Tierra primitiva debería haber sido geológicamente activa. Debería haber muchas partículas finas de ceniza en la atmósfera y en las primeras masas terrestres de la Tierra".

Para sus experimentos, Trapp y Semenov se asociaron con el Ph.D. de Trapp. la estudiante Sophia Peters, quien realizaría los experimentos como parte de su doctorado. trabajar. Para acceder a meteoritos y minerales, así como experiencia en el análisis de dichos materiales, se comunicaron con el mineralogista Rupert Hochleitner, experto en meteoritos en Mineralogische Staatssammlung en Munich.

El primer ingrediente de los experimentos siempre fue una fuente de partículas de hierro. En diferentes versiones del experimento, esas partículas de hierro pueden ser hierro de un meteorito de hierro real, o partículas de un meteorito de piedra que contiene hierro, o ceniza volcánica del Monte Etna, este último como sustituto de las partículas ricas en hierro que estaría presente en la Tierra primitiva con su vulcanismo altamente activo. A continuación, las partículas de hierro se mezclaron con diferentes minerales, como los que se pueden encontrar en la Tierra primitiva. Estos minerales actuarían como una estructura de soporte. Los catalizadores se encuentran comúnmente como pequeñas partículas en un sustrato adecuado.

El tamaño de las partículas importa. Las finas partículas de ceniza volcánica producidas por las erupciones volcánicas suelen tener un tamaño de unos pocos micrómetros. Para los meteoritos que caen a través de la atmósfera de la Tierra primitiva, por otro lado, la fricción atmosférica eliminaría partículas de hierro de tamaño nanométrico. El impacto de un meteorito de hierro (o del núcleo de hierro de un asteroide más grande) produciría partículas de hierro del tamaño de un micrómetro directamente a través de la fragmentación, y partículas del tamaño de un nanómetro a medida que el hierro se evapora en el calor intenso y luego se condensa nuevamente en el aire circundante. .

Los investigadores intentaron reproducir esta variedad de tamaños de partículas de dos maneras diferentes. Al disolver el material meteórico en ácido, produjeron partículas de tamaño nanométrico a partir de su material preparado. Y al colocar el material meteorítico o la ceniza volcánica en un molino de bolas durante 15 minutos, los investigadores pudieron producir partículas más grandes, del tamaño de un micrómetro. Tal molino de bolas es un tambor que contiene tanto el material como las bolas de acero, que gira a altas velocidades, en este caso más de diez veces por segundo, con las bolas de acero triturando el material.

Dado que la atmósfera inicial de la Tierra no contenía oxígeno, los investigadores siguieron con reacciones químicas que eliminarían casi todo el oxígeno de la mezcla.

Como último paso en cada versión del experimento, la mezcla se llevó a una cámara de presión llena de (principalmente) dióxido de carbono CO2 y (algunas) moléculas de hidrógeno, elegidas para simular la atmósfera de la Tierra primitiva. Tanto la mezcla exacta como la presión se variaron entre experimentos.

Los resultados fueron impresionantes: gracias al catalizador de hierro se produjeron compuestos orgánicos como metanol, etanol y acetaldehído, pero también formaldehído. Esa es una cosecha alentadora: el acetaldehído y el formaldehído en particular son componentes importantes para los ácidos grasos, las nucleobases (en sí mismos los componentes básicos del ADN), los azúcares y los aminoácidos.

Es importante destacar que estas reacciones se llevaron a cabo con éxito en una variedad de condiciones de presión y temperatura. Sophia Peters dice: "Dado que hay muchas posibilidades diferentes para las propiedades de la Tierra primitiva, traté de probar experimentalmente todos los escenarios posibles. Al final, usé cincuenta catalizadores diferentes y realicé el experimento con varios valores para la presión, el temperatura y la proporción de dióxido de carbono y moléculas de hidrógeno". Que las moléculas orgánicas se formaran bajo tal variedad de condiciones es una fuerte indicación de que reacciones como estas podrían haber tenido lugar en la Tierra primitiva, independientemente de cuáles sean sus condiciones atmosféricas precisas.

Con estos resultados, ahora hay un nuevo contendiente sobre cómo se formaron los primeros componentes básicos de la vida en la Tierra. Unirse a las filas de los mecanismos "clásicos" como la síntesis orgánica cerca de los respiraderos calientes en el fondo del océano, o la descarga eléctrica en una atmósfera rica en metano (como en el experimento de Urey-Miller), y de los modelos que predicen cómo se podrían haber formado los compuestos orgánicos en las profundidades del espacio y transportado a la Tierra por asteroides o cometas (ver este comunicado de prensa MPIA), ahora existe otra posibilidad: partículas de hierro meteóricas o cenizas volcánicas finas que actúan como catalizadores en una atmósfera primitiva rica en dióxido de carbono.

Con esta variedad de posibilidades, aprender más sobre la composición atmosférica y las propiedades físicas de la Tierra primitiva debería permitir a los investigadores deducir, eventualmente, cuál de los diversos mecanismos dará el mayor rendimiento de bloques de construcción en las condiciones dadas y cuál, por lo tanto, era probable. el mecanismo más importante para los primeros pasos de la no vida a la vida en nuestro planeta de origen.

Más información: Síntesis de compuestos orgánicos prebióticos a partir de CO2 mediante catálisis con partículas volcánicas y meteoríticas, Scientific Reports (2023). www.nature.com/articles/s41598-023-33741-8

Información del diario:Informes científicos

Proporcionado por la Sociedad Max Planck