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

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6843 (2023) Citar este artigo

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O surgimento de orgânicos prebióticos foi um passo obrigatório em direção à origem da vida. O significado da entrega exógena versus a síntese in situ de gases atmosféricos ainda está em debate. Demonstramos experimentalmente que partículas meteoríticas e vulcânicas ricas em ferro ativam e catalisam a fixação de CO2, produzindo os principais precursores dos blocos de construção da vida. Essa 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 orgânicos prebióticos poderiam ter sido sintetizados por esse 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 em ~ 4,4 Gyr atrás4,5, e as primeiras assinaturas de isótopos de carbono biogênico em ~ 3,8–4,1 Gyr atrás6,7 sugerem que a vida se originou apenas ~ 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 Hadean há 4,4 Gyr. Uma possibilidade é que os constituintes orgânicos prebióticos que foram formados na nebulosa solar, asteróides ricos em carbono e cometas tenham sido entregues na 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 para 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 iniciais 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 fundida. 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 de fontes hidrotermais no fundo do oceano tem sido extensivamente estudada58,61,69,70. A síntese orgânica no oceano tem limitações relacionadas à diluição dos produtos da reação ou vaporização por impactos gigantes71. Existem outros cenários propostos, por exemplo, síntese orgânica nas lagoas darwinianas na superfície continental72, síntese impulsionada pela redução nativa de CO261 de ferro, ou a síntese do tipo Urey-Miller impulsionada pela conversão de uma atmosfera neutra da Terra para um estado reduzido após a colisão com um único núcleo de ferro de 1023 kg73, etc.

Propomos outro caminho robusto para a formação de matéria orgânica prebiótica chave na Terra primitiva. Nesse cenário, partículas microscópicas ricas em ferro vindas do espaço ou formadas in situ por impactos gigantes74, ablação de meteoritos75 ou produzidas por erupções vulcânicas foram catalisadoras da fixação de CO2 da atmosfera. Minerais naturais disponíveis em ilhas vulcânicas na Terra primitiva teriam servido como materiais de suporte nesta síntese (cf. Fig. 1). Para testar essa 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.