Proposto un nuovo scenario per l’emergere dei primi mattoni per la vita, 4 miliardi di anni fa: le particelle di ferro di meteore e cenere vulcanica come catalizzatori per convertire l’atmosfera primordiale.
Al meglio delle nostre attuali conoscenze, la vita sulla Terra è emersa solo 400-700 milioni di anni dopo che la Terra stessa si era formata.
Si tratta di uno sviluppo abbastanza rapido. Per fare un confronto, si consideri che in seguito, ci sono voluti circa 2 miliardi di anni per formare le prime cellule vere e proprie (eucariotiche).
Il primo passo verso l’emergere della vita è la formazione di molecole organiche che possono servire come elementi costitutivi per gli organismi.
Data la velocità con cui la vita stessa è sorta, sarebbe plausibile che anche questo primo passo, relativamente semplice, fosse stato completato rapidamente.
Una nuova ricerca presenta un nuovo modo per tali composti organici di formarsi su scala planetaria nelle condizioni prevalenti sulla Terra primordiale.
Il ruolo chiave di supporto va alle particelle di ferro prodotte dai meteoriti, che fungono da catalizzatore. I catalizzatori sono sostanze la cui presenza accelera specifiche reazioni chimiche, ma che non si consumano in tali reazioni.
In questo modo, sono simili agli strumenti utilizzati nella produzione: gli strumenti sono necessari per produrre, ad esempio, un’auto, ma dopo che un’auto è stata costruita, gli strumenti possono essere utilizzati per costruire la successiva.
Dalla chimica industriale agli inizi della Terra
L’ispirazione chiave per la ricerca è venuta, tra tutte le cose, dalla chimica industriale. In particolare, Oliver Trapp, professore alla Ludwig Maximilians University di Monaco e Max Planck Fellow al Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), si è chiesto se il cosiddetto processo Fischer-Tropsch per convertire il monossido di carbonio e l’idrogeno in idrocarburi in presenza di catalizzatori metallici non avrebbe potuto avere un analogo su una Terra primordiale con un’atmosfera ricca di anidride carbonica.
“Quando ho osservato la composizione chimica di un meteorite costituito da ferro, nichel, un po’ di cobalto e piccole quantità di iridio, ho subito capito che questo è un perfetto catalizzatore Fischer-Tropsch”, spiega Trapp. Il passo logico successivo fu quello di organizzare un esperimento per testare la versione cosmica di Fischer-Tropsch”.
Dmitry Semenov, un membro dello staff del Max Planck Institute for Astronomy, dice: “Quando Oliver mi ha parlato della sua idea di studiare sperimentalmente le proprietà catalitiche delle particelle di meteorite di ferro per sintetizzare i mattoni per la vita, il mio primo pensiero è stato che dovremmo anche studiare le proprietà catalitiche delle particelle di cenere vulcanica. Dopo tutto, la Terra primordiale avrebbe dovuto essere geologicamente attiva. Avrebbero dovuto esserci molte particelle di cenere fine nell’atmosfera e sulle prime masse terrestri della Terra”.
Ricreare la catalisi cosmica
Per i loro esperimenti, Trapp e Semenov hanno collaborato con la dottoranda di Trapp, Sophia Peters, che avrebbe eseguito gli esperimenti come parte del suo lavoro di dottorato.
Per l’accesso a meteoriti e minerali, nonché per l’esperienza nell’analisi di tali materiali, hanno contattato il mineralogista Rupert Hochleitner, esperto di meteoriti presso la Mineralogische Staatssammlung di Monaco.
Il primo ingrediente per gli esperimenti era sempre una fonte di particelle di ferro. In diverse versioni dell’esperimento: da un meteorite completamente di ferro, o particelle da un meteorite di pietra contenente ferro, o cenere vulcanica dall’Etna, quest’ultima come sostituto per le particelle ricche di ferro che sarebbero presenti sulla Terra primordiale con il suo vulcanismo altamente attivo.
Successivamente, le particelle di ferro sono state mescolate con diversi minerali come quelli che potrebbero essersi trovati sulla Terra primordiale.
Questi minerali fungerebbero da struttura di supporto. I catalizzatori si trovano comunemente come piccole particelle su un substrato adatto.
Produzione di piccole particelle
La dimensione delle particelle è importante. Le particelle di cenere vulcanica fine prodotte dalle eruzioni vulcaniche sono in genere di pochi micrometri.
Per i meteoriti che cadono attraverso l’atmosfera della Terra primordiale, d’altra parte, l’attrito atmosferico ablerebbe particelle di ferro di dimensioni nanometriche.
L’impatto di un meteorite di ferro (o del nucleo di ferro di un asteroide più grande) produrrebbe particelle di ferro di dimensioni micrometriche direttamente attraverso la frammentazione, e particelle di dimensioni nanometriche come ferro evaporato nel calore intenso e successivamente condensato di nuovo nell’aria circostante.
I ricercatori miravano a riprodurre questa varietà di dimensioni delle particelle in due modi diversi. Dissolvendo il materiale meteorico in acido, hanno prodotto particelle di dimensioni nanometriche dal loro materiale preparato.
E mettendo il materiale meteoritico o la cenere vulcanica in un mulino a sfere per 15 minuti, i ricercatori potrebbero produrre particelle più grandi e di dimensioni micrometriche.
Tale mulino a sfere è un tamburo contenente sia il materiale che le sfere di acciaio, che viene ruotato ad alta velocità, in questo caso più di dieci volte al secondo, con le sfere d’acciaio che macinano il materiale.
Poiché l’atmosfera iniziale della Terra non conteneva ossigeno, i ricercatori hanno poi seguito le reazioni chimiche che avrebbero rimosso quasi tutto l’ossigeno dalla miscela.
Produzione di molecole organiche sotto pressione
Come ultimo passo in ogni versione dell’esperimento, la miscela è stata portata in una camera a pressione riempita con (principalmente) anidride carbonica CO2 e (alcune) molecole di idrogeno, scelte in modo da simulare l’atmosfera della Terra primordiale.
Sia la miscela esatta che la pressione variavano tra gli esperimenti. I risultati sono stati impressionanti: grazie al catalizzatore di ferro, sono stati prodotti composti organici come metanolo, etanolo e acetaldeide, ma anche formaldeide.
Questo è un raccolto incoraggiante: l’acetaldeide e la formaldeide in particolare sono elementi costitutivi importanti per acidi grassi, nucleobasi (essi stessi i mattoni del DNA), zuccheri e amminoacidi.
È importante sottolineare che queste reazioni hanno avuto luogo con successo in una varietà di condizioni di pressione e temperatura.
Sophia Peters dice: “Dal momento che ci sono molte possibilità diverse per le proprietà della Terra primordiale, ho cercato di testare sperimentalmente ogni possibile scenario. Alla fine, ho usato cinquanta diversi catalizzatori e ho eseguito l’esperimento a vari valori per la pressione, la temperatura e il rapporto tra anidride carbonica e molecole di idrogeno”.
Il fatto che le molecole organiche si siano formate in una tale varietà di condizioni è una forte indicazione che reazioni come queste potrebbero aver avuto luogo sulla Terra primordiale, qualunque siano le sue precise condizioni atmosferiche.
Aggiunta di uno scenario al portafoglio di meccanismi possibili
Con questi risultati, c’è ora un nuovo contendente per come si sono formati i primi mattoni della vita sulla Terra. Unendosi ai ranghi dei meccanismi “classici” come la sintesi organica vicino a bocche calde sul fondo dell’oceano, o la scarica elettrica in un’atmosfera ricca di metano (come nell’esperimento di Urey-Miller), e dei modelli che prevedono come i composti organici potrebbero essersi formati nelle profondità dello spazio e trasportati sulla Terra da asteroidi o comete, ora c’è un’altra possibilità: particelle di ferro meteorico o cenere vulcanica fine che agiscono come catalizzatori in una prima atmosfera ricca di anidride carbonica.
Con questa diffusione di possibilità, imparare di più sulla composizione atmosferica e sulle proprietà fisiche della Terra primordiale dovrebbe consentire ai ricercatori di dedurre, alla fine, quale dei vari meccanismi darà il più alto rendimento di elementi costitutivi nelle condizioni date – e quale quindi è stato probabilmente il meccanismo più importante per i primi passi dalla non-vita alla vita sul nostro pianeta natale.
Foto: O. Trapp
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