Исследователи из Института астрономии Макса Планка и Мюнхенского университета Людвига Максимилиана предложили новый сценарий возникновения первых строительных блоков для жизни на Земле примерно 4 миллиарда лет назад.
Экспериментально они показали, как частицы железа из метеоритов и вулканического пепла могли служить катализаторами для превращения богатой углекислым газом ранней атмосферы в углеводороды, а также ацетальдегид и формальдегид, которые, в свою очередь, могут служить строительными блоками для жирных кислот, нуклеиновых оснований, сахаров и аминокислот. Их статья «Синтез пребиотической органики из CO2 путем катализа метеоритными и вулканическими частицами» опубликована в журнале Scientific Reports. Насколько нам известно на сегодняшний день, жизнь на Земле возникла всего через 400-700 миллионов лет после того, как сформировалась сама Земля. Это довольно быстрое развитие событий. Для сравнения, учтите, что впоследствии потребовалось около 2 миллиардов лет, чтобы сформировались первые настоящие (эукариотические) клетки. Первым шагом на пути к возникновению жизни является образование органических молекул, которые могут служить строительными блоками для организмов. Учитывая, как быстро возникла сама жизнь, было бы правдоподобно, что этот сравнительно простой первый шаг также был выполнен быстро. Описанное здесь исследование представляет новый способ образования таких органических соединений в планетарных масштабах в условиях, преобладавших на ранней Земле. Ключевую вспомогательную роль играют частицы железа, образующиеся из метеоритов, которые действуют как катализатор. Катализаторы — это вещества, присутствие которых ускоряет определенные химические реакции, но которые не расходуются в этих реакциях. В этом смысле они сродни инструментам, используемым в производстве: инструменты необходимы, скажем, для производства автомобиля, но после того, как один автомобиль построен, инструменты можно использовать для сборки следующего.
От промышленной химии до зарождения Земли
Главным источником вдохновения для исследования послужила, прежде всего, промышленная химия. В частности, Оливер Трапп, профессор Мюнхенского университета Людвига Максимилиана и научный сотрудник Института астрономии Макса Планка (MPIA), задался вопросом, не имел ли так называемый процесс Фишера-Тропша для превращения монооксида углерода и водорода в углеводороды в присутствии металлических катализаторов аналога на Земле. ранняя Земля с атмосферой, богатой углекислым газом. «Когда я посмотрел на химический состав железного метеорита Кампо-дель-Сьело, состоящего из железа, никеля, некоторого количества кобальта и крошечного количества иридия, я сразу понял, что это идеальный катализатор Фишера-Тропша», — объясняет Трапп. Логичным следующим шагом была организация эксперимента по проверке космической версии Фишера-Тропша.
Дмитрий Семенов, сотрудник Института астрономии Макса Планка, говорит: «Когда Оливер рассказал мне о своей идее экспериментально исследовать каталитические свойства частиц железного метеорита для синтеза строительных блоков для жизни, моей первой мыслью было, что мы также должны изучить каталитические свойства частиц вулканического пепла. В конце концов, ранняя Земля должна была быть геологически активной. В атмосфере и на первых массивах суши Земли должно было быть много мелких частиц пепла».
Воссоздающий космический катализ
Для своих экспериментов Трапп и Семенов объединились с аспиранткой Траппа Софией Питерс, которая должна была проводить эксперименты в рамках своей докторской работы. Чтобы получить доступ к метеоритам и минералам, а также опыт в анализе таких материалов, они обратились к минералогу Руперту Хохляйтнеру, эксперту по метеоритам из Минералогического института в Мюнхене. Первым ингредиентом для экспериментов всегда был источник частиц железа. В различных версиях эксперимента эти частицы железа могли быть железом из настоящего железного метеорита, или частицами из железосодержащего каменного метеорита, или вулканическим пеплом с горы Этна, причем последний заменял богатые железом частицы, которые присутствовали бы на ранней Земле с ее высокогорной атмосферой. активный вулканизм. Затем частицы железа были смешаны с различными минералами, которые можно было найти на ранней Земле. Эти минералы действовали бы как опорная конструкция. Катализаторы обычно находятся в виде мелких частиц на подходящей подложке.
Образование мелких частиц
Размер частиц имеет значение. Мелкие частицы вулканического пепла, образующиеся в результате извержений вулканов, обычно имеют размер в несколько микрометров. С другой стороны, для метеоритов, падающих через атмосферу ранней Земли, атмосферное трение привело бы к удалению частиц железа нанометрового размера. При ударе железного метеорита (или железного ядра более крупного астероида) образуются частицы железа микрометрового размера непосредственно в результате фрагментации, а также частицы нанометрового размера, когда железо испаряется при сильном нагреве и позже снова конденсируется в окружающем воздухе. Исследователи стремились воспроизвести это разнообразие размеров частиц двумя различными способами. Растворяя метеоритный материал в кислоте, они получили частицы нанометрового размера из подготовленного ими материала. А поместив метеоритный материал или вулканический пепел в шаровую мельницу на 15 минут, исследователи смогли получить частицы более крупного размера, размером в микрометр. Такая шаровая мельница представляет собой барабан, содержащий как материал, так и стальные шарики, который вращается с высокой скоростью, в данном случае более десяти раз в секунду, при этом стальные шарики измельчают материал. Поскольку первоначальная атмосфера Земли не содержала кислорода, исследователи затем провели химические реакции, которые удалили бы почти весь кислород из смеси.
Получение органических молекул под давлением
В качестве последнего шага в каждой версии эксперимента смесь помещалась в камеру высокого давления, заполненную (в основном) углекислым газом CO2 и (некоторыми) молекулами водорода, выбранными таким образом, чтобы имитировать атмосферу ранней Земли. Между экспериментами варьировались как точная смесь, так и давление. Результаты были впечатляющими: благодаря железному катализатору были получены органические соединения, такие как метанол, этанол и ацетальдегид, а также формальдегид. Это обнадеживающий результат — ацетальдегид и формальдегид, в частности, являются важными строительными блоками для жирных кислот, нуклеиновых оснований (которые сами по себе являются строительными блоками ДНК), сахаров и аминокислот. Важно отметить, что эти реакции успешно протекали в различных условиях давления и температуры. София Питерс говорит: «Поскольку существует множество различных возможностей для описания свойств ранней Земли, я попыталась экспериментально проверить все возможные сценарии. В конце концов, я использовал пятьдесят различных катализаторов и провел эксперимент при различных значениях давления, температуры и соотношения молекул углекислого газа и водорода.» То, что органические молекулы образовались в таких разнообразных условиях, является убедительным свидетельством того, что подобные реакции могли происходить на ранней Земле — какими бы ни оказались ее точные атмосферные условия.
Добавление сценария к портфелю возможных механизмов
Благодаря этим результатам теперь появился новый претендент на то, как сформировались первые строительные блоки жизни на Земле. Пополнение рядов «классических» механизмов, таких как органический синтез вблизи горячих источников на дне океана или электрический разряд в богатой метаном атмосфере (как в эксперименте Юри-Миллера), а также моделей, которые предсказывают, как органические соединения могли образоваться в глубине космоса и транспортироваться на Землю с помощью астероиды или кометы (смотрите этот пресс-релиз MPIA), теперь существует другая возможность: частицы метеоритного железа или мелкодисперсный вулканический пепел, действующие в качестве катализаторов в ранней атмосфере, богатой углекислым газом. При таком разнообразии возможностей изучение большего количества данных о составе атмосферы и физических свойствах ранней Земли должно позволить исследователям, в конечном счете, определить, какой из различных механизмов даст наибольший выход строительных блоков при данных условиях — и который, таким образом, вероятно, был наиболее важным механизмом для первых шагов от не— жизнь за жизнь на нашей родной планете.
Фото: A small fragment of the Campo del Cielo iron meteorite. The same intense heat that partially melted the meteorite to produce the smooth surface visible here would have also evaporated and ablated iron, creating tiny, nanometer-sized particles. These particles could have acted as catalysts for producing the building blocks of life on the early Earth. Credit: O. Trapp/Небольшой фрагмент железного метеорита Кампо-дель-Сьело. Тот же самый интенсивный нагрев, который частично расплавил метеорит, образовав гладкую поверхность, видимую здесь, также испарил бы и удалил железо, создав крошечные частицы нанометрового размера. Эти частицы могли бы послужить катализаторами для производства строительных блоков жизни на ранней Земле. Автор: О. Трапп
More information: Synthesis of prebiotic organics from CO2 by catalysis with meteoritic and volcanic particles, Scientific Reports (2023). www.nature.com/articles/s41598-023-33741-8
Provided by Max Planck Society