Роль метеоритного железа в возникновении жизни на Земле

Исследователи из Института астрономии Общества Макса Планка и Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана предложили новый сценарий возникновения первых строительных блоков жизни на Земле около 4 миллиардов лет назад.

Экспериментально они показали, как частицы железа из метеоритов и вулканического пепла могли служить катализаторами для преобразования богатой CO₂ ранней атмосферы в углеводороды, а также в ацетальдегид и формальдегид, которые, в свою очередь, могут служить строительными блоками для жирных кислот, нуклеиновых оснований, сахаров и аминокислот. Их статья «Синтез пребиотических органических веществ из CO₂ с помощью катализа частицами метеоритного и вулканического происхождения» опубликована в журнале Scientific Reports.

Новый путь для образования органики

Исследование представляет новый способ образования таких органических соединений в планетарных масштабах в условиях ранней Земли. Ключевую роль играют частицы железа из метеоритов, выступающие в качестве катализатора.

Идея пришла из промышленной химии. Профессор Оливер Трап задался вопросом, мог ли аналог процесса Фишера–Тропша (превращение монооксида углерода и водорода в углеводороды в присутствии металлических катализаторов) происходить на ранней Земле с богатой CO₂ атмосферой.

«Когда я посмотрел на химический состав железного метеорита Кампо-дель-Сьело, состоящего из железа, никеля, некоторого количества кобальта и следов иридия, я сразу понял, что это идеальный катализатор Фишера-Тропша», — объясняет Трап.

Исследователи также решили изучить каталитические свойства частиц вулканического пепла, поскольку ранняя Земля должна была быть геологически активной.

Воссоздание «космического» катализа

Для экспериментов использовались различные источники частиц железа:

• Железо из настоящего железного метеорита.
• Частицы из каменного метеорита, содержащего железо.
• Вулканический пепел с горы Этна (в качестве аналога для ранней Земли).

Частицы смешивали с минералами, которые могли присутствовать на ранней Земле и служить подложкой для катализатора.

Имитировались различные размеры частиц:

• Наноразмерные частицы (как от испарения метеоритов в атмосфере) получали растворением метеоритного материала в кислоте.
• Микрометровые частицы (как от вулканического пепла или фрагментации метеоритов) получали с помощью шаровой мельницы.

После удаления кислорода из смеси (в условиях бескислородной ранней атмосферы) материал помещали в камеру высокого давления, заполненную в основном CO₂ с добавлением водорода, моделируя атмосферу ранней Земли.

Успешный синтез в различных условиях

Результаты были впечатляющими: благодаря железному катализатору образовывались органические соединения, такие как метанол, этанол, ацетальдегид и формальдегид. Последние два являются важными строительными блоками для жирных кислот, нуклеиновых оснований, сахаров и аминокислот.

Реакции успешно протекали при широком диапазоне давлений и температур. Эксперименты проводились с пятьюдесятью различными катализаторами при различных значениях давления, температуры и соотношения CO₂ и H₂. Это указывает, что подобные реакции могли происходить на ранней Земле при различных возможных условиях.

Новый претендент в ряду механизмов происхождения жизни

Эти результаты добавляют новый возможный механизм образования первых строительных блоков жизни на Земле. Теперь в ряду «классических» гипотез (синтез у гидротермальных источников на дне океана, электрические разряды в богатой метаном атмосфере, доставка органики астероидами и кометами) появилась ещё одна: катализ частицами метеоритного железа или вулканического пепла в ранней, богатой CO₂ атмосфере.

Изучение состава атмосферы и физических свойств ранней Земли в будущем позволит определить, какой из механизмов мог быть наиболее эффективным в тех конкретных условиях.