|
Роль метеоритного железа в возникновении жизни на Земле
|
|
|
|
Исследователи из Института астрономии Макса Планка и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана предложили новый сценарий появления первых строительных блоков жизни на Земле примерно 4 миллиарда лет назад. Экспериментально они показали, как частицы железа из метеоритов и из вулканического пепла могли служить катализаторами для превращения ранней атмосферы, богатой двуокисью углерода, в углеводороды, а также в ацетальдегид и формальдегид, которые, в свою очередь, могут служить строительными блоками для жирных кислот, нуклеиновых оснований, сахара и аминокислоты. Их статья «Синтез пребиотической органики из СО2 путем катализа метеоритными и вулканическими частицами» опубликована в журнале Scientific Reports.
|
|
|
|
Насколько нам известно, жизнь на Земле возникла всего через 400-700 миллионов лет после того, как сформировалась сама Земля. Это довольно быстрое развитие. Для сравнения примем во внимание, что впоследствии потребовалось около 2 миллиардов лет, чтобы сформировались первые настоящие (эукариотические) клетки. Первым шагом к возникновению жизни является образование органических молекул, которые могут служить строительными блоками для организмов. Учитывая, как быстро возникла сама жизнь, вполне вероятно, что этот сравнительно простой первый шаг также был завершен быстро.
|
|
|
Описанное здесь исследование представляет собой новый способ образования таких органических соединений в планетарных масштабах в условиях, преобладающих на ранней Земле. Ключевая вспомогательная роль принадлежит частицам железа, полученным 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 похожи на инструменты, используемые в производстве: инструменты необходимы, скажем, для производства автомобиля, но после того, как один автомобиль построен, инструменты можно использовать для создания следующего.
|
|
|
|
От промышленной химии к истокам Земли
|
|
|
|
Главным источником вдохновения для исследования послужила промышленная химия. В частности, Оливер Трапп, профессор Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и научный сотрудник Макса Планка в Институте астрономии Макса Планка (MPIA), задался вопросом, может ли так называемый процесс Фишера-Тропша превратить монооксид углерода и водород в углеводороды в присутствии металлических катализаторов, возможно, не имели аналога на ранней Земле с богатой углекислым газом атмосферой. «Когда я посмотрел на химический состав железного метеорита Кампо-дель-Сьело, состоящий из железа, никеля, некоторого количества кобальта и небольшого количества иридия, я сразу понял, что это идеальный катализатор Фишера-Тропша», — объясняет Трапп. Следующим логическим шагом было поставить эксперимент для проверки космической версии Фишера-Тропша. Дмитрий Семенов, сотрудник Института астрономии Макса Планка, говорит: «Когда Оливер рассказал мне о своей идее экспериментального исследования каталитических свойств железных метеоритных частиц для синтеза строительных блоков жизни, моей первой мыслью было, что мы должны также 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».
|
|
|
|
Воссоздание космического катализа
|
|
|
|
Для своих экспериментов Трапп и Семенов объединились с доктором наук Траппа. студентка София Петерс, которая будет проводить эксперименты в рамках своей докторской диссертации. работа. Чтобы получить доступ к метеоритам и минералам, а также опыт анализа таких материалов, они обратились к минералогу Руперту Хохляйтнеру, эксперту по метеоритам из Mineralogische Staatssammlung в Мюнхене. Первым ингредиентом для экспериментов всегда был источник частиц железа. В различных версиях эксперимента эти частицы железа могут быть железом из настоящего железного метеорита, частицами железосодержащего каменного метеорита или вулканического пепла с вулкана Этна. будет присутствовать на ранней Земле с ее очень активным вулканизмом. Затем частицы железа были смешаны с различными минералами, которые можно было найти на ранней Земле. Эти минералы будут действовать как опорная структура. Катализаторы обычно находятся в виде небольших частиц на подходящей подложке.
|
|
|
|
Получение мелких частиц
|
|
|
|
Размер частиц имеет значение. Мелкие частицы вулканического пепла, образовавшиеся в результате извержений вулканов, обычно имеют размер несколько микрометров. С другой стороны, для метеоритов, падающих через атмосферу ранней Земли, атмосферное трение должно было привести к абляции частиц железа нанометрового размера. Столкновение с железным метеоритом (или железным ядром более крупного астероида) привело бы к образованию частиц железа микрометрового размера непосредственно в результате фрагментации и частиц нанометрового размера, поскольку железо испарялось при сильном жаре, а затем снова конденсировалось в окружающем воздухе.
|
|
|
|
Исследователи стремились воспроизвести это разнообразие размеров частиц двумя разными способами. Растворив метеоритный материал в кислоте, они произвели из подготовленного материала частицы нанометрового размера. Поместив либо метеоритный материал, либо вулканический пепел в шаровую мельницу на 15 минут, исследователи смогли получить более крупные частицы микронного размера. Такая шаровая мельница представляет собой барабан, содержащий как материал, так и стальные шары, который вращается с высокой скоростью, в данном случае более десяти раз в секунду, при этом стальные шары измельчают материал. Поскольку первоначальная атмосфера Земли не содержала кислорода, исследователи затем провели химические реакции, которые удаляли почти весь кислород из смеси.
|
|
|
|
Производство органических молекул под давлением
|
|
|
|
В качестве последнего шага в каждом варианте эксперимента смесь помещалась в барокамеру, заполненную (в основном) углекислым газом CO2 и (некоторыми) молекулами водорода, выбранными таким образом, чтобы имитировать атмосферу ранней Земли. И точная смесь, и давление варьировались между экспериментами. Результаты были впечатляющими: благодаря железному катализатору были получены органические соединения, такие как метанол, этанол и ацетальдегид, а также формальдегид. Это обнадеживающий урожай — ацетальдегид и формальдегид, в частности, являются важными строительными блоками для жирных кислот, азотистых оснований (которые сами являются строительными блоками ДНК), сахаров и аминокислот.
|
|
|
|
Важно отметить, что эти реакции успешно проходили при различных условиях давления и температуры. София Питерс говорит: «Поскольку существует множество различных вариантов свойств ранней Земли, я попыталась экспериментально проверить каждый возможный сценарий. В конце концов, я использовала пятьдесят различных катализаторов и провела эксперимент при различных значениях давления, температура и соотношение молекул углекислого газа и водорода». То, что органические молекулы сформировались в столь разнообразных условиях, является убедительным признаком того, что подобные реакции могли иметь место на ранней Земле — какими бы ни оказались ее атмосферные условия.
|
|
|
|
Добавление сценария в портфель возможных механизмов
|
|
|
|
Благодаря этим результатам появился новый претендент на то, как на Земле образовались первые строительные блоки жизни. 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, предсказывающих, как могли образоваться органические соединения. в глубинах космоса и доставленных на Землю астероидами или кометами (см. этот пресс-релиз MPIA), теперь есть еще одна возможность: частицы метеоритного железа или тонкий вулканический пепел действуют как катализаторы в ранней атмосфере, богатой углекислым газом. При таком разбросе возможностей больше узнать о составе атмосферы и физических свойствах ранней Земли должно позволить исследователям в конечном итоге сделать вывод, какой из различных механизмов даст наибольший выход строительных блоков в данных условиях — и какой, таким образом, вероятнее всего важнейший механизм первых шагов от нежизни к жизни на нашей родной планете.
|
|
|
|
Источник
|
