Un rôle du fer météoritique dans l'émergence de la vie sur Terre

25 mai 2023

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par Max Planck Society

Des chercheurs de l'Institut Max Planck d'astronomie et de l'Université Ludwig Maximilians de Munich ont proposé un nouveau scénario pour l'émergence des premiers éléments constitutifs de la vie sur Terre, il y a environ 4 milliards d'années.

Par expérience, ils ont montré comment des particules de fer provenant de météores et de cendres volcaniques auraient pu servir de catalyseurs pour convertir une atmosphère primitive riche en dioxyde de carbone en hydrocarbures, mais aussi en acétaldéhyde et en formaldéhyde, qui à leur tour peuvent servir de blocs de construction pour les acides gras, les nucléobases. , sucres et acides aminés. Leur article, "Synthèse de matières organiques prébiotiques à partir de CO2 par catalyse avec des particules météoritiques et volcaniques", est publié dans la revue Scientific Reports.

Au meilleur de nos connaissances actuelles, la vie sur Terre est apparue à peine 400 à 700 millions d'années après la formation de la Terre elle-même. C'est une évolution assez rapide. À titre de comparaison, considérez qu'il a fallu environ 2 milliards d'années pour que les premières cellules (eucaryotes) appropriées se forment. La première étape vers l'émergence de la vie est la formation de molécules organiques qui peuvent servir de blocs de construction pour les organismes. Étant donné la rapidité avec laquelle la vie elle-même est apparue, il serait plausible que cette première étape relativement simple ait également été franchie rapidement.

La recherche décrite ici présente une nouvelle façon pour ces composés organiques de se former à l'échelle planétaire dans les conditions prévalant sur la Terre primitive. Le rôle de soutien clé revient aux particules de fer produites à partir de météorites, qui agissent comme un catalyseur. Les catalyseurs sont des substances dont la présence accélère des réactions chimiques spécifiques, mais qui ne s'épuisent pas dans ces réactions. De cette façon, ils s'apparentent aux outils utilisés dans la fabrication : les outils sont nécessaires pour produire, par exemple, une voiture, mais une fois qu'une voiture est construite, les outils peuvent être utilisés pour construire la suivante.

L'inspiration principale pour la recherche est venue, de toutes choses, de la chimie industrielle. Plus précisément, Oliver Trapp, professeur à l'Université Ludwig Maximilians de Munich et boursier Max Planck à l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA), s'est demandé si le processus dit Fischer-Tropsch de conversion du monoxyde de carbone et de l'hydrogène en hydrocarbures en présence des catalyseurs métalliques n'aurait peut-être pas eu d'analogue sur une Terre primitive avec une atmosphère riche en dioxyde de carbone.

"Quand j'ai regardé la composition chimique de la météorite ferreuse de Campo-del-Cielo, composée de fer, de nickel, de cobalt et de petites quantités d'iridium, j'ai immédiatement compris qu'il s'agissait d'un catalyseur Fischer-Tropsch parfait", explique Trapp. L'étape suivante logique était de mettre en place une expérience pour tester la version cosmique de Fischer-Tropsch.

Dmitry Semenov, membre du personnel de l'Institut Max Planck d'astronomie, a déclaré : "Quand Oliver m'a parlé de son idée d'étudier expérimentalement les propriétés catalytiques des particules de météorite de fer pour synthétiser les éléments constitutifs de la vie, ma première pensée a été que nous devrions également étudier les propriétés catalytiques des particules de cendres volcaniques. Après tout, la Terre primitive aurait dû être géologiquement active. Il aurait dû y avoir beaucoup de fines particules de cendres dans l'atmosphère et sur les premières masses terrestres de la Terre.

Pour leurs expériences, Trapp et Semenov se sont associés au doctorat de Trapp. l'étudiante Sophia Peters, qui dirigerait les expériences dans le cadre de son doctorat. travail. Pour avoir accès aux météorites et aux minéraux, ainsi qu'à l'expertise dans l'analyse de ces matériaux, ils ont contacté le minéralogiste Rupert Hochleitner, un expert des météorites au Mineralogische Staatssammlung de Munich.

Le premier ingrédient des expériences était toujours une source de particules de fer. Dans différentes versions de l'expérience, ces particules de fer pourraient être du fer d'une véritable météorite de fer, ou des particules d'une météorite de pierre contenant du fer, ou des cendres volcaniques de l'Etna, ces dernières remplaçant les particules riches en fer qui serait présent sur la Terre primitive avec son volcanisme très actif. Ensuite, les particules de fer ont été mélangées à différents minéraux tels qu'on pouvait en trouver sur la Terre primitive. Ces minéraux agiraient comme une structure de support. Les catalyseurs se trouvent généralement sous forme de petites particules sur un substrat approprié.

La taille des particules compte. Les fines particules de cendres volcaniques produites par les éruptions volcaniques mesurent généralement quelques micromètres. Pour les météorites tombant à travers l'atmosphère de la Terre primitive, en revanche, le frottement atmosphérique éliminerait les particules de fer de taille nanométrique. L'impact d'une météorite de fer (ou du noyau de fer d'un astéroïde plus gros) produirait des particules de fer de taille micrométrique directement par fragmentation, et des particules de taille nanométrique lorsque le fer s'évapore sous la chaleur intense et se condense plus tard dans l'air ambiant. .

Les chercheurs ont cherché à reproduire cette variété de tailles de particules de deux manières différentes. En dissolvant le matériau météorique dans de l'acide, ils ont produit des particules de taille nanométrique à partir de leur matériau préparé. Et en plaçant soit le matériau météoritique, soit les cendres volcaniques dans un broyeur à boulets pendant 15 minutes, les chercheurs ont pu produire des particules plus grosses, de la taille d'un micromètre. Un tel broyeur à billes est un tambour contenant à la fois le matériau et des billes d'acier, qui est mis en rotation à des vitesses élevées, dans ce cas plus de dix fois par seconde, les billes d'acier broyant le matériau.

Étant donné que l'atmosphère initiale de la Terre ne contenait pas d'oxygène, les chercheurs ont ensuite poursuivi avec des réactions chimiques qui élimineraient presque tout l'oxygène du mélange.

Comme dernière étape de chaque version de l'expérience, le mélange a été amené dans une chambre de pression remplie (principalement) de dioxyde de carbone CO2 et (certaines) molécules d'hydrogène, choisies de manière à simuler l'atmosphère de la Terre primitive. Le mélange exact et la pression ont été variés entre les expériences.

Les résultats ont été impressionnants : grâce au catalyseur au fer, des composés organiques tels que le méthanol, l'éthanol et l'acétaldéhyde ont été produits, mais aussi du formaldéhyde. C'est une récolte encourageante - l'acétaldéhyde et le formaldéhyde en particulier sont des éléments constitutifs importants pour les acides gras, les nucléobases (elles-mêmes les éléments constitutifs de l'ADN), les sucres et les acides aminés.

Il est important de noter que ces réactions se sont déroulées avec succès dans diverses conditions de pression et de température. Sophia Peters dit : « Puisqu'il existe de nombreuses possibilités différentes pour les propriétés de la Terre primitive, j'ai essayé de tester expérimentalement tous les scénarios possibles. En fin de compte, j'ai utilisé cinquante catalyseurs différents et j'ai mené l'expérience à différentes valeurs de pression, de température, et le rapport des molécules de dioxyde de carbone et d'hydrogène." Le fait que les molécules organiques se soient formées dans une telle variété de conditions est une forte indication que des réactions comme celles-ci auraient pu avoir lieu sur la Terre primitive, quelles que soient ses conditions atmosphériques précises.

Avec ces résultats, il y a maintenant un nouveau concurrent pour la façon dont les premiers éléments constitutifs de la vie se sont formés sur Terre. Rejoindre les rangs des mécanismes "classiques" tels que la synthèse organique près des bouches chaudes au fond de l'océan, ou la décharge électrique dans une atmosphère riche en méthane (comme dans l'expérience Urey-Miller), et des modèles qui prédisent comment les composés organiques auraient pu se former dans les profondeurs de l'espace et transportées vers la Terre par des astéroïdes ou des comètes (voir ce communiqué de presse du MPIA), il existe désormais une autre possibilité : des particules de fer météoriques ou de fines cendres volcaniques agissant comme catalyseurs dans une atmosphère précoce riche en dioxyde de carbone.

Avec cet éventail de possibilités, en apprendre davantage sur la composition atmosphérique et les propriétés physiques de la Terre primitive devrait permettre aux chercheurs de déduire, à terme, lequel des divers mécanismes donnera le rendement le plus élevé de blocs de construction dans les conditions données - et lequel était donc susceptible le mécanisme le plus important pour les premiers pas de la non-vie à la vie sur notre planète d'origine.

Plus d'information: Synthèse de matières organiques prébiotiques à partir de CO2 par catalyse avec des particules météoritiques et volcaniques, Scientific Reports (2023). www.nature.com/articles/s41598-023-33741-8

Informations sur la revue :Rapports scientifiques

Fourni par la société Max Planck