Dünyadaki yaşamın ortaya çıkmasında göktaşı demirinin rolü

Max Planck Astronomi Enstitüsü ve Münih Ludwig Maximilians Üniversitesi’nden araştırmacılar, yaklaşık 4 milyar yıl önce Dünya’da yaşam için ilk yapı taşlarının ortaya çıkışı için yeni bir senaryo önerdiler.

Deneyle, meteorlardan ve volkanik külden gelen demir parçacıklarının, karbondioksit açısından zengin erken bir atmosferi hidrokarbonlara dönüştürmek için nasıl katalizör görevi görebileceğini ve aynı zamanda yağ asitleri, nükleobazlar için yapı taşları olarak hizmet edebilecek asetaldehit ve formaldehite nasıl hizmet edebileceğini gösterdiler. , şekerler ve amino asitler. Makaleleri, “CO’dan prebiyotik organiklerin sentezi₂ meteoritik ve volkanik parçacıklarla katalizle” dergisinde yayınlandı Bilimsel Raporlar.

Şu anki bilgilerimize göre, Dünya’daki yaşam, Dünya’nın oluşumundan yalnızca 400 ila 700 milyon yıl sonra ortaya çıktı. Bu oldukça hızlı bir gelişme. Karşılaştırma için, daha sonra ilk uygun (ökaryotik) hücrelerin oluşmasının yaklaşık 2 milyar yıl sürdüğünü düşünün. Canlılığın ortaya çıkışına yönelik ilk adım, organizmalar için yapı taşı görevi görebilecek organik moleküllerin oluşumudur. Hayatın ne kadar hızlı ortaya çıktığı göz önüne alındığında, nispeten basit olan bu ilk adımın da hızlı bir şekilde tamamlanmış olması makul olacaktır.

Burada açıklanan araştırma, bu tür organik bileşiklerin, erken Dünya’da yaygın olan koşullar altında gezegen ölçeklerinde oluşması için yeni bir yol sunuyor. Kilit destekleyici rol, bir katalizör görevi gören göktaşlarından üretilen demir parçacıklarına gider. Katalizörler, varlığı belirli kimyasal reaksiyonları hızlandıran, ancak bu reaksiyonlarda kullanılmayan maddelerdir. Bu açıdan, imalatta kullanılan aletlere benzerler: Aletler, örneğin bir araba üretmek için gereklidir, ancak bir araba yapıldıktan sonra, aletler bir sonrakini yapmak için kullanılabilir.

Endüstriyel kimyadan Dünyanın başlangıcına

Araştırma için temel ilham, her şeyden önce, endüstriyel kimyadan geldi. Spesifik olarak, Münih’teki Ludwig Maximilians Üniversitesi’nde profesör ve Max Planck Astronomi Enstitüsü’nde (MPIA) Max Planck Üyesi olan Oliver Trapp, karbon monoksit ve hidrojeni hidrokarbonlara dönüştürmek için sözde Fischer-Tropsch sürecinin mevcudiyetinde olup olmadığını merak etti. Metalik katalizörlerin yüzdesi, karbondioksit açısından zengin bir atmosfere sahip erken bir Dünya’da bir analoga sahip olmayabilirdi.

Trapp, “Demir, nikel, biraz kobalt ve küçük miktarlarda iridyumdan oluşan Campo-del-Cielo demir göktaşının kimyasal bileşimine baktığımda, bunun mükemmel bir Fischer-Tropsch katalizörü olduğunu hemen anladım,” diye açıklıyor Trapp. Bir sonraki mantıklı adım, Fischer-Tropsch’un kozmik versiyonunu test etmek için bir deney oluşturmaktı.

Max Planck Astronomi Enstitüsü’nün bir çalışanı olan Dmitry Semenov, “Oliver bana yaşam için yapı taşlarını sentezlemek üzere demir göktaşı parçacıklarının katalitik özelliklerini deneysel olarak araştırma fikrinden bahsettiğinde, ilk düşüncem aynı zamanda çalışmamız gerektiğiydi. volkanik kül parçacıklarının katalitik özellikleri. Ne de olsa, erken Dünya jeolojik olarak aktif olmalıydı. Atmosferde ve Dünya’nın ilk kara kütlelerinde bol miktarda ince kül parçacığı olmalıydı.”

Kozmik katalizi yeniden yaratmak

Trapp ve Semenov, deneyleri için Trapp’ın Ph.D. doktorasının bir parçası olarak deneyleri yürütecek olan öğrenci Sophia Peters. iş. Meteoritlere ve minerallere erişim ve bu tür malzemelerin analizinde uzmanlık için, Münih’teki Mineralogische Staatssammlung’da göktaşları uzmanı olan mineralog Rupert Hochleitner’a ulaştılar.

Deneyler için ilk bileşen her zaman bir demir parçacıkları kaynağıydı. Deneyin farklı versiyonlarında, bu demir parçacıkları, gerçek bir demir göktaşından gelen demir veya demir içeren bir taş göktaşından gelen parçacıklar veya demir açısından zengin parçacıkların yerine geçen Etna Dağı’ndan gelen volkanik kül olabilir. oldukça aktif volkanizması ile erken Dünya’da mevcut olacaktır. Daha sonra, demir parçacıkları, erken Dünya’da bulunabilecekler gibi farklı minerallerle karıştırıldı. Bu mineraller bir destek yapısı görevi görecektir. Katalizörler genellikle uygun bir substrat üzerinde küçük parçacıklar olarak bulunur.

Küçük parçacıklar üretmek

Parçacık boyutu önemlidir. Volkanik patlamalar tarafından üretilen ince volkanik kül parçacıkları tipik olarak birkaç mikrometre boyutundadır. Öte yandan, erken Dünya atmosferinden düşen göktaşları için, atmosferik sürtünme nanometre boyutundaki demir parçacıklarını yok edecektir. Bir demir göktaşının (veya daha büyük bir asteroitin demir çekirdeğinin) etkisi, doğrudan parçalanma yoluyla mikrometre boyutunda demir parçacıkları ve yoğun ısıda buharlaşan ve daha sonra çevredeki havada tekrar yoğunlaşan demir olarak nanometre boyutunda parçacıklar üretecektir. .

Araştırmacılar, bu çeşitli parçacık boyutlarını iki farklı şekilde yeniden üretmeyi amaçladılar. Meteorik malzemeyi asitte çözerek, hazırladıkları malzemeden nanometre büyüklüğünde parçacıklar ürettiler. Araştırmacılar, göktaşı malzemesini veya volkanik külü 15 dakika boyunca bir bilyeli değirmene koyarak daha büyük, mikrometre boyutunda parçacıklar üretebildiler. Bu tür bir bilyeli değirmen, hem malzemeyi hem de çelik bilyaları içeren bir tamburdur ve bu durumda, çelik bilyalar malzemeyi öğütürken yüksek hızlarda, bu durumda saniyede on defadan fazla döndürülür.

Dünyanın ilk atmosferi oksijen içermediğinden, araştırmacılar daha sonra karışımdaki oksijenin neredeyse tamamını çıkaracak kimyasal reaksiyonlar izlediler.

Basınç altında organik moleküller üretmek

Deneyin her bir versiyonunun son adımı olarak, karışım (çoğunlukla) karbondioksit CO ile dolu bir basınç odasına getirildi.₂ ve (bazı) erken Dünya atmosferini simüle edecek şekilde seçilen hidrojen molekülleri. Hem tam karışım hem de basınç, deneyler arasında değiştirildi.

Sonuçlar etkileyiciydi: Demir katalizör sayesinde metanol, etanol ve asetaldehit gibi organik bileşiklerin yanı sıra formaldehit de üretildi. Bu cesaret verici bir hasat – özellikle asetaldehit ve formaldehit, yağ asitleri, nükleobazlar (kendileri DNA’nın yapı taşları), şekerler ve amino asitler için önemli yapı taşlarıdır.

Daha da önemlisi, bu reaksiyonlar çeşitli basınç ve sıcaklık koşulları altında başarılı bir şekilde gerçekleşti. Sophia Peters şöyle diyor: “Erken Dünya’nın özellikleri için pek çok farklı olasılık olduğundan, olası her senaryoyu deneysel olarak test etmeye çalıştım. Sonunda elli farklı katalizör kullandım ve deneyi basınç için çeşitli değerlerde yürüttüm. sıcaklık ve karbondioksit ve hidrojen moleküllerinin oranı.” Organik moleküllerin böylesine çeşitli koşullar altında oluşması, buna benzer reaksiyonların, kesin atmosferik koşulları ne olursa olsun erken Dünya’da gerçekleşmiş olabileceğinin güçlü bir göstergesidir.

Olası mekanizmalar portföyüne bir senaryo ekleme

Bu sonuçlarla birlikte, Dünya’da yaşamın ilk yapı taşlarının nasıl oluştuğuna dair yeni bir yarışmacı ortaya çıktı. Okyanus tabanındaki sıcak menfezlerin yakınında organik sentez veya metan bakımından zengin bir atmosferde elektrik boşalması (Urey-Miller deneyinde olduğu gibi) gibi “klasik” mekanizmaların ve organik bileşiklerin nasıl oluşmuş olabileceğini tahmin eden modellerin saflarına katılmak uzayın derinliklerinde bulunan ve asteroitler veya kuyruklu yıldızlar tarafından Dünya’ya taşınan (bu MPIA basın açıklamasına bakın), şimdi başka bir olasılık var: meteorik demir parçacıkları veya erken, karbondioksit açısından zengin bir atmosferde katalizör görevi gören ince volkanik kül.

Bu olasılıkların yayılmasıyla birlikte, erken Dünya’nın atmosferik bileşimi ve fiziksel özellikleri hakkında daha fazla şey öğrenmek, araştırmacıların, belirli koşullar altında çeşitli mekanizmalardan hangisinin en yüksek yapı taşı verimini vereceğini ve bu nedenle hangisinin muhtemel olduğunu sonuçlandırmasına izin vermelidir. ana gezegenimizde cansızlıktan yaşama ilk adımlar için en önemli mekanizma.