Eine Rolle für meteoritisches Eisen bei der Entstehung des Lebens auf der Erde

25. Mai 2023

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von der Max-Planck-Gesellschaft

Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie und der Ludwig-Maximilians-Universität München haben ein neues Szenario für die Entstehung der ersten Bausteine ​​für Leben auf der Erde vor etwa 4 Milliarden Jahren vorgeschlagen.

Durch Experimente zeigten sie, wie Eisenpartikel aus Meteoren und aus Vulkanasche als Katalysatoren für die Umwandlung einer kohlendioxidreichen frühen Atmosphäre in Kohlenwasserstoffe, aber auch Acetaldehyd und Formaldehyd gedient haben könnten, die wiederum als Bausteine ​​für Fettsäuren, Nukleobasen, dienen können , Zucker und Aminosäuren. Ihr Artikel „Synthese präbiotischer organischer Stoffe aus CO2 durch Katalyse mit meteoritischen und vulkanischen Partikeln“ wurde in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.

Nach unserem derzeitigen Kenntnisstand entstand das Leben auf der Erde lediglich 400 bis 700 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde. Das ist eine ziemlich schnelle Entwicklung. Bedenken Sie zum Vergleich, dass es danach etwa 2 Milliarden Jahre dauerte, bis sich die ersten richtigen (eukaryontischen) Zellen bildeten. Der erste Schritt zur Entstehung von Leben ist die Bildung organischer Moleküle, die als Bausteine ​​für Organismen dienen können. Wenn man bedenkt, wie schnell das Leben selbst entstand, wäre es plausibel, dass auch dieser vergleichsweise einfache erste Schritt schnell abgeschlossen wurde.

Die hier beschriebene Forschung stellt einen neuen Weg für die Bildung solcher organischen Verbindungen auf planetarischer Ebene unter den auf der frühen Erde vorherrschenden Bedingungen vor. Die wichtigste tragende Rolle kommt den aus Meteoriten hergestellten Eisenpartikeln zu, die als Katalysator wirken. Katalysatoren sind Stoffe, deren Anwesenheit bestimmte chemische Reaktionen beschleunigt, die bei diesen Reaktionen jedoch nicht verbraucht werden. In dieser Hinsicht ähneln sie den Werkzeugen, die bei der Herstellung verwendet werden: Werkzeuge sind notwendig, um beispielsweise ein Auto herzustellen, aber nachdem ein Auto gebaut ist, können die Werkzeuge zum Bau des nächsten verwendet werden.

Die entscheidenden Impulse für die Forschung kamen ausgerechnet aus der industriellen Chemie. Konkret fragte sich Oliver Trapp, Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Max-Planck-Fellow am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), ob der sogenannte Fischer-Tropsch-Prozess zur Umwandlung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Kohlenwasserstoffe in der Gegenwart funktioniert Die Entwicklung metallischer Katalysatoren hätte auf einer frühen Erde mit einer kohlendioxidreichen Atmosphäre möglicherweise kein Analogon gehabt.

„Als ich mir die chemische Zusammensetzung des Campo-del-Cielo-Eisenmeteoriten ansah, bestehend aus Eisen, Nickel, etwas Kobalt und winzigen Mengen Iridium, wurde mir sofort klar, dass es sich um einen perfekten Fischer-Tropsch-Katalysator handelt“, erklärt Trapp. Der logische nächste Schritt bestand darin, ein Experiment durchzuführen, um die kosmische Version von Fischer-Tropsch zu testen.

Dmitry Semenov, Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie, sagt: „Als Oliver mir von seiner Idee erzählte, die katalytischen Eigenschaften von Eisenmeteoritenpartikeln experimentell zu untersuchen, um Bausteine ​​für Leben zu synthetisieren, war mein erster Gedanke, dass wir das auch studieren sollten.“ die katalytischen Eigenschaften von Vulkanaschepartikeln. Schließlich hätte die frühe Erde geologisch aktiv sein müssen. Es hätte reichlich feine Aschepartikel in der Atmosphäre und auf den ersten Landmassen der Erde geben müssen.“

Für ihre Experimente arbeiteten Trapp und Semenov mit Trapps Doktorand zusammen. Studentin Sophia Peters, die die Experimente im Rahmen ihrer Doktorarbeit durchführte. arbeiten. Um Zugang zu Meteoriten und Mineralien sowie Fachwissen in der Analyse solcher Materialien zu erhalten, wandten sie sich an den Mineralogen Rupert Hochleitner, einen Meteoritenexperten an der Mineralogischen Staatssammlung in München.

Die erste Zutat für die Experimente war immer eine Quelle für Eisenpartikel. In verschiedenen Versionen des Experiments könnte es sich bei diesen Eisenpartikeln um Eisen aus einem echten Eisenmeteorit oder um Partikel aus einem eisenhaltigen Steinmeteorit oder um Vulkanasche vom Ätna handeln, letzteres als Ersatz für die eisenreichen Partikel wäre auf der frühen Erde mit ihrem hochaktiven Vulkanismus vorhanden gewesen. Anschließend wurden die Eisenpartikel mit verschiedenen Mineralien vermischt, wie sie auf der frühen Erde vorkommen könnten. Diese Mineralien würden als Stützstruktur fungieren. Katalysatoren liegen üblicherweise als kleine Partikel auf einem geeigneten Substrat vor.

Die Partikelgröße ist wichtig. Die bei Vulkanausbrüchen entstehenden feinen Vulkanaschepartikel haben typischerweise eine Größe von wenigen Mikrometern. Bei Meteoriten, die durch die Atmosphäre der frühen Erde fallen, würde die atmosphärische Reibung dagegen nanometergroße Eisenpartikel abtragen. Der Einschlag eines Eisenmeteoriten (oder des Eisenkerns eines größeren Asteroiden) würde direkt durch Fragmentierung mikrometergroße Eisenpartikel erzeugen, und nanometergroße Partikel, wenn Eisen in der starken Hitze verdampft und später in der umgebenden Luft wieder kondensiert .

Die Forscher wollten diese Vielfalt an Partikelgrößen auf zwei verschiedene Arten reproduzieren. Durch das Auflösen des Meteormaterials in Säure stellten sie aus dem vorbereiteten Material nanometergroße Partikel her. Und indem die Forscher 15 Minuten lang entweder das Meteoritenmaterial oder die Vulkanasche in eine Kugelmühle gaben, konnten sie größere, mikrometergroße Partikel erzeugen. Bei einer solchen Kugelmühle handelt es sich um eine Trommel, die sowohl das Material als auch Stahlkugeln enthält und mit hoher Geschwindigkeit rotiert, in diesem Fall mehr als zehnmal pro Sekunde, wobei die Stahlkugeln das Material zermahlen.

Da die ursprüngliche Atmosphäre der Erde keinen Sauerstoff enthielt, führten die Forscher anschließend chemische Reaktionen durch, die fast den gesamten Sauerstoff aus der Mischung entfernten.

Als letzten Schritt in jeder Version des Experiments wurde die Mischung in eine Druckkammer gebracht, die (hauptsächlich) mit Kohlendioxid (CO2) und (einigen) Wasserstoffmolekülen gefüllt war und so ausgewählt wurde, dass sie die Atmosphäre der frühen Erde simulierte. Sowohl die genaue Mischung als auch der Druck wurden zwischen den Experimenten variiert.

Die Ergebnisse waren beeindruckend: Dank des Eisenkatalysators entstanden organische Verbindungen wie Methanol, Ethanol und Acetaldehyd, aber auch Formaldehyd. Das ist eine ermutigende Ernte – insbesondere Acetaldehyd und Formaldehyd sind wichtige Bausteine ​​für Fettsäuren, Nukleobasen (selbst die Bausteine ​​der DNA), Zucker und Aminosäuren.

Wichtig ist, dass diese Reaktionen unter verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen erfolgreich abliefen. Sophia Peters sagt: „Da es viele verschiedene Möglichkeiten für die Eigenschaften der frühen Erde gibt, habe ich versucht, jedes mögliche Szenario experimentell zu testen. Am Ende habe ich fünfzig verschiedene Katalysatoren verwendet und das Experiment bei verschiedenen Werten für den Druck durchgeführt.“ Temperatur und das Verhältnis von Kohlendioxid- und Wasserstoffmolekülen. Dass sich die organischen Moleküle unter solch unterschiedlichen Bedingungen bildeten, ist ein starker Hinweis darauf, dass Reaktionen wie diese auf der frühen Erde stattgefunden haben könnten – wie auch immer sich die genauen atmosphärischen Bedingungen herausstellen werden.

Mit diesen Ergebnissen gibt es nun einen neuen Anwärter auf die Frage, wie die ersten Bausteine ​​des Lebens auf der Erde entstanden sind. Er reiht sich in die Reihe „klassischer“ Mechanismen wie der organischen Synthese in der Nähe heißer Quellen am Meeresboden oder der elektrischen Entladung in einer methanreichen Atmosphäre (wie im Urey-Miller-Experiment) und in die Reihe von Modellen ein, die vorhersagen, wie organische Verbindungen entstanden sein könnten in den Tiefen des Weltalls entstehen und von Asteroiden oder Kometen zur Erde transportiert werden (siehe diese MPIA-Pressemitteilung), gibt es nun eine andere Möglichkeit: meteorische Eisenpartikel oder feine Vulkanasche, die in einer frühen, kohlendioxidreichen Atmosphäre als Katalysatoren wirken.

Angesichts dieser Vielfalt an Möglichkeiten sollten Forscher durch Erkenntnisse über die atmosphärische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften der frühen Erde letztendlich ableiten können, welcher der verschiedenen Mechanismen unter den gegebenen Bedingungen die höchste Ausbeute an Bausteinen liefert – und welcher daher wahrscheinlich war der wichtigste Mechanismus für die ersten Schritte vom Nicht-Leben zum Leben auf unserem Heimatplaneten.

Mehr Informationen: Synthese präbiotischer organischer Stoffe aus CO2 durch Katalyse mit meteoritischen und vulkanischen Partikeln, Wissenschaftliche Berichte (2023). www.nature.com/articles/s41598-023-33741-8

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Berichte

Zur Verfügung gestellt von der Max-Planck-Gesellschaft