隕石および火山粒子による触媒作用による CO2 からのプレバイオティクス有機物の合成

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6843 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

プレバイオティクス有機物の出現は、生命の起源に向けた必須のステップでした。 外因性送達と大気ガスからのその場合成の重要性については、まだ議論中です。 私たちは、鉄分が豊富な隕石粒子と火山粒子が CO2 の固定を活性化および触媒し、生命を構成するブロックの重要な前駆体を生成することを実験的に示します。 この触媒作用は強力で、環境の酸化還元状態に関係なく、アルデヒド、アルコール、炭化水素を選択的に生成します。 一般的な鉱物によって促進され、初期の惑星の広範囲の条件 (150 ～ 300 °C、≲ 10 ～ 50 bar、湿潤または乾燥気候) に耐えます。 この惑星規模のプロセスにより、冥代の地球の大気中のCO2から最大6×108kg/年のプレバイオティクス有機物が合成された可能性があることが判明した。

初期の地球上で生命の構成要素を形成するための反応性有機分子の形成は、生物発生の前提条件の 1 つです 1,2,3。 〜 4.4 Gyr 前 4,5 の地球上に安定した大陸地殻と液体の水が出現し、〜 3.8 ～ 4.1 Gyr 前 6,7 の最古の生物起源の炭素同位体の特徴は、生命が誕生してからわずか 4 億～7 億年後であることを示唆しています。地球の形成8、9、10。 この比較的短い期間は、有機前駆物質の大部分が 4.4 ギル前という早い時期に冥代の地球上ですでに形成されていることを示しています。 可能性の 1 つは、太陽系星雲、炭素が豊富な小惑星、彗星で形成されたプレバイオティクスの有機成分が初期の地球に運ばれたということです11、12、13、14、15、16、17、18、19、20。 21. 他の理論では、触媒プロセスまたは高エネルギープロセス (雷、火山エネルギー、衝撃衝撃) による大気中および海洋中での合成が考慮されています 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。 CH4 が豊富な大気中でのミラー・ユーリー合成、CO 豊富な環境でのフィッシャー・トロプシュ 64 - 触媒作用、鉄およびニッケルのナノ粒子上のピルビン酸塩への CO2 固定 65、水系のストレッカー合成など、基礎となる化学プロセスの一部は実験的にシミュレートされています。炭素質小惑星内のアミノ酸、または彗星の星間氷の化学。

しかし、重要なデータが欠落しているため、どのシナリオが最も有力であったか (もしあれば) を確実に推測することは困難です。 外部からの輸送シナリオでは、議論されている初期の衝撃速度に加えて、有機物のあまり知られていない部分が、衝撃衝撃や加熱による熱分解、あるいは溶融地殻への溶解により、アブレーションによって大気圏に突入した際に失われていたであろう。 現場合成シナリオでは、初期地球の CO2 と N2 が豊富な中性大気では、想定される還元された CH4、N2、H2 が豊富な大気条件と比較して、ミラー・ユーリーのような合成の生産性は低かったでしょう。初期の実験では66,67,68。

もう一つの考えられるシナリオとして、海底の熱水噴出孔周辺での有機合成が広く研究されています58、61、69、70。 海洋での有機合成には、反応生成物の希釈や巨大衝突による蒸発に関連した制限があります71。 他のシナリオも提案されており、例えば、大陸表面のダーウィン池での有機合成72、CO261の自然鉄還元によって推進される合成、または地球との衝突時に中性地球大気を還元状態に変換することによって推進されるユーリー・ミラーのような合成などがある。単一の 1023 kg の鉄心 73 など。

私たちは、初期地球における重要なプレバイオティクス有機物の形成への別の強力な経路を提案します。 このシナリオでは、宇宙から飛来した、または巨大衝突 74 や隕石のアブレーション 75 によってその場で形成された、あるいは火山の噴火によって生成された、鉄に富んだ微粒子が、大気からの CO2 固定を触媒的に推進していた。 初期の地球の火山島で入手可能な天然鉱物は、この合成のサポート材料として機能したと考えられます (図 1 を参照)。 この考えを検証するために、CO2、H2、H2O が存在する初期地球の模擬反応条件下で、隕石と火山灰からの鉄粒子の触媒特性を実験的に調査しました。