Un pequeño fragmento del meteorito de hierro Campo del Cielo. El mismo calor intenso que derritió parcialmente el meteorito, creando la superficie lisa que se ve aquí, también vaporizaría y erosionaría el hierro, creando partículas diminutas del tamaño de un nanómetro. Estas partículas pueden haber actuado como catalizadores para producir los componentes básicos de la vida en la Tierra primitiva. Fuente: O. Trapp
Científicos del Instituto Max Planck de Astronomía y la Universidad Ludwig Maximilian de Munich han propuesto un nuevo escenario para la aparición de los primeros componentes básicos de la vida en la Tierra hace unos 4.000 millones de años.
Demostraron experimentalmente cómo las partículas de hierro de los meteoritos y las cenizas volcánicas podrían haber servido como catalizadores para convertir la atmósfera primitiva rica en dióxido de carbono en hidrocarburos, pero también en acetaldehído y formaldehído, que a su vez podrían servir como bloques de construcción para ácidos grasos, bases nitrogenadas, azúcares y aminoácidos Su artículo “Síntesis de compuestos orgánicos prebióticos a partir de CO2 mediante catálisis con partículas volcánicas y meteoríticas” se publicó en la revista Informes científicos.
Hasta donde sabemos, la vida en la Tierra apareció solo entre 400 y 700 millones de años después de la formación de la Tierra misma. Es un desarrollo bastante rápido. A modo de comparación, considere que se necesitaron alrededor de 2 mil millones de años para que se formaran las primeras células verdaderas (eucariotas). El primer paso hacia el surgimiento de la vida es la creación de moléculas orgánicas que puedan servir como bloques de construcción para los organismos. Dada la rapidez con que se originó la vida misma, es probable que este primer paso relativamente simple también se complete rápidamente.
La investigación descrita aquí presenta una nueva forma de formar tales compuestos orgánicos a escala planetaria en las condiciones que prevalecen en la Tierra primitiva. Las partículas de hierro producidas a partir de meteoritos, que actúan como catalizador, desempeñan un papel de apoyo clave. Los catalizadores son sustancias cuya presencia acelera ciertas reacciones químicas, pero que no se consumen en estas reacciones. De esta manera, son similares a las herramientas utilizadas en la fabricación: las herramientas son necesarias para producir, por ejemplo, un automóvil, pero una vez que se construye un automóvil, las herramientas se pueden usar para construir otro.
De la química industrial a los orígenes de la Tierra
La inspiración clave para la investigación provino principalmente de la química industrial. En concreto, Oliver Trapp, profesor de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich y Max Planck Fellow 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 metales los catalizadores podrían no tener una contraparte en la 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 era un excelente catalizador de Fischer-Tropsch”, explica Trapp. El siguiente paso lógico fue establecer un experimento para probar la versión espacial de Fischer-Tropsch.
Dmitry Semenov, empleado del Instituto de Astronomía que lleva el nombre Max Planck, dice: “Cuando Oliver me habló de su idea de estudiar 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 diminutas de polvo en la atmósfera y en las primeras masas de tierra de la Tierra.
Recreando la catálisis espacial
En sus experimentos, Trapp y Semenov se asociaron con el Dr. Trappa. estudiante Sophia Peters que realizó experimentos para su doctorado. Trabajar. Para acceder a meteoritos y minerales, así como experiencia en el análisis de dichos materiales, recurrieron al mineralogista Rupert Hochleitner, un experto en meteoritos en Mineralogische Staatssammlung en Munich.
El primer componente de los experimentos siempre fue una fuente de partículas de hierro. En varias versiones del experimento, estas partículas de hierro pueden ser hierro de un meteorito de hierro real, partículas de un meteorito pedregoso que contiene hierro o ceniza volcánica del Etna que reemplaza las partículas ricas en hierro que habrían estado presentes en la Tierra primitiva con su vulcanismo altamente activo. Luego, las partículas de hierro se mezclaron con varios minerales que se encuentran en la Tierra primitiva. Estos minerales actuarán como una estructura de soporte. Los catalizadores se encuentran comúnmente como pequeñas partículas en un sustrato adecuado.
Producción de pequeñas partículas
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. Por otro lado, en el caso de los meteoritos que caen a través de la atmósfera de la Tierra primitiva, la fricción atmosférica habría eliminado partículas de hierro de tamaño nanométrico. El impacto de un meteorito de hierro (o el 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 intenso calor y luego se vuelve a condensar en el aire circundante.
El objetivo de los investigadores era reproducir esta diversidad de tamaños de partículas de dos maneras diferentes. Al disolver el material meteorítico en ácido, produjeron partículas de tamaño nanométrico a partir del material preparado. Y al colocar material meteorítico o ceniza volcánica en un molino de bolas durante 15 minutos, los científicos pudieron producir partículas más grandes, del tamaño de un micrómetro. Tal molino de bolas es un tambor que contiene material y bolas de acero, que gira a alta velocidad, en este caso varias veces por segundo, con las bolas de acero moliendo el material.
Dado que la atmósfera inicial de la Tierra no contenía oxígeno, los científicos realizaron reacciones químicas que eliminarían casi todo el oxígeno de la mezcla.
Producción de moléculas orgánicas bajo presión
El paso final en cada versión del experimento fue introducir la mezcla en una cámara presurizada 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 variaron entre experimentos.
Los resultados fueron impresionantes: el catalizador de hierro produjo compuestos orgánicos como metanol, etanol y acetaldehído, pero también formaldehído. Es una colección alentadora: el acetaldehído y el formaldehído en particular son componentes importantes de los ácidos grasos, las nucleobases (que a su vez son los componentes básicos del ADN), los azúcares y los aminoácidos.
Es importante destacar que estas reacciones se desarrollaron con éxito en una variedad de condiciones de presión y temperatura. Sophia Peters dice: “Debido a que hay tantas posibilidades diferentes sobre las propiedades de la Tierra primitiva, traté de probar experimentalmente todos los escenarios posibles. Al final, utilicé cincuenta catalizadores diferentes y realicé el experimento a diferentes presiones, temperaturas y proporciones de dióxido de carbono y moléculas de hidrógeno”. Que las moléculas orgánicas se hayan formado bajo condiciones tan diferentes es una fuerte indicación de que tales reacciones pueden haber ocurrido en la Tierra primitiva, independientemente de las condiciones atmosféricas exactas que prevalezcan.
Adición de un escenario a la cartera de posibles mecanismos
Con estos resultados, ha surgido un nuevo contendiente sobre cómo se formaron los primeros elementos de la vida en la Tierra. Unirse a una gama de mecanismos “clásicos” como la síntesis orgánica cerca de agujeros calientes en el fondo del océano o descargas eléctricas en una atmósfera rica en metano (como en el experimento de Urey-Miller) y modelos que predicen cómo se podrían haber formado 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 meteoríticas o polvo volcánico fino que actúan como catalizadores en la atmósfera temprana rica en dióxido de carbono.
Con una gama tan amplia de posibilidades, una mejor comprensión de la composición de la atmósfera y las propiedades físicas de la Tierra primitiva debería permitir a los científicos deducir finalmente cuál de los diversos mecanismos proporcionaría el mayor rendimiento de componentes básicos en determinadas condiciones, y cuál. uno fue probablemente el mecanismo más importante de los primeros pasos de la no vida a la vida en nuestro planeta natal.
Proporcionado por la Sociedad Max Planck