Sintesi di sostanze organiche prebiotiche da CO2 mediante catalisi con particelle meteoritiche e vulcaniche

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6843 (2023) Citare questo articolo

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L’emergere di sostanze organiche prebiotiche è stato un passo obbligato verso l’origine della vita. Il significato del rilascio esogeno rispetto alla sintesi in situ dai gas atmosferici è ancora oggetto di dibattito. Dimostriamo sperimentalmente che le particelle meteoritiche e vulcaniche ricche di ferro attivano e catalizzano la fissazione della CO2, producendo i precursori chiave degli elementi costitutivi della vita. Questa catalisi è robusta e produce selettivamente aldeidi, alcoli e idrocarburi, indipendentemente dallo stato redox dell'ambiente. È facilitato dai minerali comuni e tollera un'ampia gamma di condizioni planetarie precoci (150–300 °C, ≲ 10–50 bar, clima umido o secco). Troviamo che fino a 6 × 108 kg/anno di sostanze organiche prebiotiche potrebbero essere state sintetizzate da questo processo su scala planetaria dalla CO2 atmosferica sulla Terra dell’Adeano.

La formazione di molecole organiche reattive per formare gli elementi costitutivi della vita sulla nascente Terra è uno dei prerequisiti per l'abiogenesi1,2,3. L’emergere di una crosta continentale stabile e di acqua liquida sulla Terra a circa 4,4 Gy fa4,5, e le prime tracce isotopiche di carbonio biogenico a circa 3,8–4,1 Gy fa6,7 suggeriscono che la vita abbia avuto origine solo circa 400–700 milioni di anni dopo la Terra. formazione della Terra8,9,10. Questo arco di tempo relativamente breve indica che la maggior parte dei precursori organici si era già formata sulla Terra dell'Adeano già 4,4 Giri fa. Una possibilità è che i costituenti organici prebiotici che si erano formati nella nebulosa solare, negli asteroidi ricchi di carbonio e nelle comete siano stati trasportati sulla Terra primordiale11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21. Altre teorie considerano la sintesi nell'atmosfera e nell'oceano mediante processi catalitici o ad alta energia (fulmini, energia vulcanica, shock da impatto)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. Alcuni dei processi chimici sottostanti sono stati simulati sperimentalmente, come la sintesi Miller-Urey nell’atmosfera ricca di CH4, la catalisi Fischer–Tropsch64 in ambienti ricchi di CO, la fissazione della CO2 in piruvato su nanoparticelle di ferro e nichel65, la sintesi acquosa di Strecker di amminoacidi all’interno degli asteroidi carboniosi o la chimica del ghiaccio interstellare nelle comete.

Tuttavia, è difficile dedurre con certezza quale scenario sia stato il più dominante (se presente) a causa della mancanza di dati chiave. Nello scenario di consegna esogena, oltre ai dibattuti tassi di bombardamento precoce, una frazione poco conosciuta della materia organica sarebbe andata persa con l'ingresso nell'atmosfera per ablazione, a causa di shock da impatto e pirolisi per riscaldamento, o dissoluzione nella crosta fusa. Nello scenario della sintesi in situ, la sintesi tipo Miller-Urey sarebbe stata meno produttiva in un’atmosfera neutra e ricca di CO2 e N2 della Terra primordiale rispetto alle condizioni atmosferiche ridotte, ricche di CH4, N2 e H2 ipotizzate. nei primi esperimenti66,67,68.

Un altro scenario possibile, la sintesi organica attorno alle sorgenti idrotermali sul fondo dell'oceano, è stata ampiamente studiata58,61,69,70. La sintesi organica nell'oceano presenta limitazioni legate alla diluizione dei prodotti di reazione o alla vaporizzazione mediante impatti giganteschi71. Ci sono altri scenari proposti, ad esempio, la sintesi organica negli stagni darwiniani sulla superficie continentale72, la sintesi guidata dalla riduzione del ferro nativo di CO261, o la sintesi simile a Urey-Miller guidata dalla conversione di un'atmosfera terrestre neutra in uno stato ridotto in seguito alla collisione con un unico nucleo di ferro da 1023 kg73, ecc.

Proponiamo un altro percorso robusto per la formazione di materia organica prebiotica chiave sulla Terra primordiale. In questo scenario, particelle microscopiche ricche di ferro provenienti dallo spazio o formatesi in situ da impatti giganteschi74, dall’ablazione di meteoriti75 o prodotte da eruzioni vulcaniche hanno guidato cataliticamente la fissazione di CO2 dall’atmosfera. I minerali naturali disponibili sulle isole vulcaniche della Terra primordiale sarebbero serviti come materiali di supporto in questa sintesi (cfr. Fig. 1). Per testare questa idea, abbiamo studiato sperimentalmente le proprietà catalitiche delle particelle di ferro provenienti da meteoriti e ceneri vulcaniche nelle condizioni di reazione simulate della Terra primordiale in presenza di CO2, H2 e H2O.