Синтез пребиотической органики из CO2 катализом метеоритных и вулканических частиц

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6843 (2023) Цитировать эту статью

7134 Доступа

412 Альтметрика

Подробности о метриках

Появление пребиотической органики было обязательным шагом на пути к зарождению жизни. Значение экзогенной доставки по сравнению с синтезом in-situ из атмосферных газов все еще обсуждается. Мы экспериментально продемонстрировали, что богатые железом метеоритные и вулканические частицы активируют и катализируют фиксацию CO2, образуя ключевых предшественников строительных блоков жизни. Этот катализ является надежным и избирательно производит альдегиды, спирты и углеводороды, независимо от окислительно-восстановительного состояния окружающей среды. Этому способствуют обычные минералы, и он переносит широкий диапазон ранних планетарных условий (150–300 ° C, ≲ 10–50 бар, влажный или сухой климат). Мы обнаружили, что в ходе этого процесса планетарного масштаба из атмосферного CO2 на Гадейской Земле могло быть синтезировано до 6 × 108 кг/год пребиотической органики.

Образование реактивных органических молекул, образующих строительные блоки жизни на зарождающейся Земле, является одной из предпосылок абиогенеза1,2,3. Появление стабильной континентальной коры и жидкой воды на Земле примерно 4,4 млрд лет назад4,5 и самые ранние признаки биогенных изотопов углерода примерно 3,8–4,1 млрд лет назад6,7 позволяют предположить, что жизнь зародилась всего лишь примерно 400–700 миллионов лет назад после образование Земли8,9,10. Этот относительно короткий промежуток времени указывает на то, что большая часть органических предшественников образовалась на Гадейской Земле уже 4,4 миллиарда лет назад. Одна из возможностей заключается в том, что пребиотические органические компоненты, которые сформировались в солнечной туманности, богатых углеродом астероидах и кометах, были доставлены на раннюю Землю11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21. Другие теории рассматривают синтез в атмосфере и океане посредством каталитических или высокоэнергетических процессов (молнии, вулканическая энергия, ударные толчки)22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 ,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58 ,59,60,61,62,63,64. Некоторые из лежащих в основе химических процессов были смоделированы экспериментально, например, синтез Миллера-Юри в атмосфере, богатой CH4, катализ Фишера-Тропша64 в среде, богатой CO, фиксация CO2 в пируват на наночастицах железа и никеля65, водный синтез Стрекера аминокислоты внутри углеродистых астероидов или химия межзвездного льда в кометах.

Тем не менее, трудно с уверенностью сделать вывод, какой сценарий был наиболее доминирующим (если вообще был) из-за отсутствия ключевых данных. В сценарии экзогенной доставки, помимо обсуждаемой скорости ранней бомбардировки, малоизвестная часть органического вещества была бы потеряна при попадании в атмосферу в результате абляции из-за ударных толчков и пиролиза при нагревании или растворения в расплавленной коре. В сценарии синтеза in situ синтез, подобный Миллеру-Юри, был бы менее продуктивным в нейтральной атмосфере ранней Земли, богатой CO2 и N2, по сравнению с предполагаемыми атмосферными условиями с пониженным содержанием CH4, N2, H2. в ранних экспериментах66,67,68.

Другой возможный сценарий – органический синтез вокруг гидротермальных источников на дне океана – широко изучен58,61,69,70. Органический синтез в океане имеет ограничения, связанные с разбавлением продуктов реакции или испарением при гигантских ударах71. Предлагаются и другие сценарии, например, органический синтез в дарвиновских прудах на поверхности континента72, синтез, обусловленный восстановлением CO261 самородным железом, или синтез, подобный Юри-Миллеру, основанный на преобразовании нейтральной земной атмосферы в восстановленное состояние при столкновении с один железный сердечник массой 1023 кг73 и т. д.

Мы предлагаем еще один надежный путь к образованию ключевого пребиотического органического вещества на ранней Земле. В этом сценарии микроскопические богатые железом частицы из космоса или образовавшиеся in situ в результате гигантских ударов74, абляции метеоритов75 или образовавшиеся в результате извержений вулканов каталитически стимулировали фиксацию CO2 из атмосферы. Вспомогательным материалом в этом синтезе могли бы служить природные минералы, имеющиеся на вулканических островах ранней Земли (см. рис. 1). Чтобы проверить эту идею, мы экспериментально исследовали каталитические свойства частиц железа из метеоритов и вулканического пепла в моделируемых условиях реакции ранней Земли в присутствии CO2, H2 и H2O.

11.81 nm > 9.63 nm) and we observed that the yield of CO2 [silica gel: TON = 1.37 g/(kg d) < 4.39 g/(kg d) < 36.97 g/(kg d)] conversion increased in catalytic experiments (for more details see Table S10 in the SI). Using a ball mill, we produced microscopic catalysts with a 100 times bigger particle size. Surprisingly, such large particles still showed catalytic activity. However, in contrast to the catalysts formed during wet impregnation, the metal ratio in these micrometer-sized catalysts had to exceed a threshold to show a significant product formation (see Supplementary Information Table S11). For the catalyst prepared from the Campo del Cielo meteorite supported on diopside, we observed a similar activity for ball milled micrometer-sized particles and for the nanoparticle catalysts. For the other catalysts, the turnover number for the ball mill particles was 3–24% of that of the nanoparticles (see Supplementary Information Table S11). This can be explained by the lower surface-to-volume ratio of the ball mill particles as compared to the nanoparticles, leading to a smaller number of catalytic surface sites per unit area of the support./p>