Síntese de orgânicos prebióticos a partir de CO2 por catálise com partículas meteóricas e vulcânicas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 6843 (2023) Citar este artigo

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O surgimento de produtos orgânicos prebióticos foi um passo obrigatório em direção à origem da vida. A importância da entrega exógena versus a síntese in situ a partir de gases atmosféricos ainda está em debate. Demonstramos experimentalmente que partículas meteóricas e vulcânicas ricas em ferro ativam e catalisam a fixação de CO2, produzindo os principais precursores dos blocos de construção da vida. Esta catálise é robusta e produz seletivamente aldeídos, álcoois e hidrocarbonetos, independente do estado redox do ambiente. É facilitado por minerais comuns e tolera uma ampla gama de condições planetárias iniciais (150–300 °C, ≲ 10–50 bar, clima úmido ou seco). Descobrimos que até 6 × 108 kg/ano de produtos orgânicos prebióticos poderiam ter sido sintetizados por este processo em escala planetária a partir do CO2 atmosférico na Terra Hadeana.

A formação de moléculas orgânicas reativas para formar os blocos de construção da vida na Terra nascente é um dos pré-requisitos para a abiogênese1,2,3. O surgimento de uma crosta continental estável e água líquida na Terra há cerca de 4,4 Gyr atrás4,5, e as primeiras assinaturas biogênicas de isótopos de carbono em cerca de 3,8-4,1 Gyr atrás6,7 sugerem que a vida se originou apenas cerca de 400-700 milhões de anos após o formação da Terra8,9,10. Este intervalo de tempo relativamente curto indica que a maior parte dos precursores orgânicos já foi formada na Terra Hadeana há 4,4 Gir. Uma possibilidade é que os constituintes orgânicos prebióticos que se formaram na nebulosa solar, nos asteróides ricos em carbono e nos cometas tenham sido entregues à Terra primitiva11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21. Outras teorias consideram a síntese na atmosfera e no oceano por processos catalíticos ou de alta energia (raios, energia vulcânica, choques de impacto)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. Alguns dos processos químicos subjacentes foram simulados experimentalmente, como a síntese de Miller-Urey na atmosfera rica em CH4, Fischer-Tropsch64 - catálise em ambientes ricos em CO, a fixação de CO2 em piruvato sobre nanopartículas de ferro e níquel65, a síntese aquosa de Strecker de aminoácidos dentro de asteróides carbonáceos ou a química do gelo interestelar em cometas.

No entanto, é difícil deduzir com certeza qual cenário foi o mais dominante (se houver) devido à falta de dados importantes. No cenário de entrega exógena, além das taxas de bombardeio precoce debatidas, uma fração pouco conhecida da matéria orgânica teria sido perdida na entrada atmosférica por ablação, devido a choques de impacto e pirólise por aquecimento, ou dissolução na crosta derretida. No cenário de síntese in situ, a síntese do tipo Miller-Urey teria sido menos produtiva em uma atmosfera neutra rica em CO2 e N2 da Terra primitiva em comparação com as condições atmosféricas reduzidas, ricas em CH4, N2 e H2 assumidas. nos primeiros experimentos66,67,68.

Outro cenário possível, a síntese orgânica em torno das fontes hidrotermais no fundo do oceano tem sido extensivamente estudada58,61,69,70. A síntese orgânica no oceano apresenta limitações relacionadas à diluição dos produtos da reação ou à vaporização por impactos gigantescos71. Existem outros cenários propostos, por exemplo, síntese orgânica nas lagoas darwinianas na superfície continental72, síntese impulsionada pela redução nativa do ferro do CO261, ou a síntese do tipo Urey-Miller impulsionada pela conversão de uma atmosfera neutra da Terra para um estado reduzido após colisão com um único núcleo de ferro de 1.023 kg73, etc.

Propomos outro caminho robusto para a formação da matéria orgânica prebiótica chave na Terra primitiva. Neste cenário, partículas microscópicas ricas em ferro vindas do espaço ou formadas in situ por impactos gigantes74, ablação de meteoritos75, ou produzidas por erupções vulcânicas estavam impulsionando cataliticamente a fixação de CO2 da atmosfera. Os minerais naturais disponíveis nas ilhas vulcânicas da Terra primitiva teriam servido como materiais de suporte nesta síntese (cf. Fig. 1). Para testar esta ideia, investigamos experimentalmente as propriedades catalíticas de partículas de ferro de meteoritos e cinzas vulcânicas sob as condições de reação simuladas da Terra primitiva na presença de CO2, H2 e 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>