地球上の生命の出現における隕石鉄の役割

2023 年 5 月 25 日

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マックス・プランク協会著

マックス・プランク天文学研究所とルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘンの研究者らは、約40億年前に地球上に生命の最初の構成要素が出現するという新たなシナリオを提案した。

彼らは実験により、流星や火山灰からの鉄粒子が、二酸化炭素に富む初期の大気を炭化水素に変換する触媒としてどのように機能するか、またアセトアルデヒドやホルムアルデヒドも変換し、脂肪酸や核酸塩基の構成要素として機能する可能性があることを示した。 、糖類、アミノ酸。 彼らの論文「隕石および火山粒子の触媒作用による CO2 からのプレバイオティック有機物の合成」は、科学誌「Scientific Reports」に掲載されました。

私たちの現在の知識の限りでは、地球上の生命は、地球自体が形成されてからわずか 4 億年から 7 億年後に出現しました。 かなり早い展開ですね。 比較のために、その後、最初の適切な（真核生物）細胞が形成されるまでに約 20 億年かかったと考えてみましょう。 生命の出現への最初のステップは、生物の構成要素として機能する有機分子の形成です。 生命自体がどれほど早く誕生したかを考えると、この比較的単純な最初のステップもすぐに完了したことはもっともなことです。

ここで説明する研究は、初期の地球で一般的であった条件下で、そのような有機化合物が惑星規模で形成される新しい方法を示しています。 重要なサポート役は、触媒として機能する隕石から生成される鉄粒子です。 触媒は、その存在により特定の化学反応が促進されますが、それらの反応では使い果たされない物質です。 その意味では、それらは製造で使用されるツールに似ています。ツールは、たとえば車を生産するために必要ですが、1 台の車が製造された後、そのツールは次の車を製造するために使用できます。

研究の重要なインスピレーションは、何よりも工業化学から来ました。 具体的には、ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学教授であり、マックス・プランク天文学研究所（MPIA）のマックス・プランク研究員でもあるオリバー・トラップ氏は、一酸化炭素と水素を存在下で炭化水素に変換するいわゆるフィッシャー・トロプシュ法が有効かどうか疑問に思った。二酸化炭素が豊富な大気を持った初期の地球には、金属触媒の類似体は存在しなかったかもしれない。

「カンポ・デル・シエロ鉄隕石の化学組成を調べたとき、鉄、ニッケル、若干のコバルト、そして微量のイリジウムから構成されており、これが完璧なフィッシャー・トロプシュ触媒であることがすぐにわかりました」とトラップ氏は説明する。 当然の次のステップは、フィッシャー・トロプシュの宇宙バージョンをテストするための実験をセットアップすることでした。

マックス・プランク天文学研究所の職員であるドミトリー・セミノフ氏は、「オリバーが、生命の構成要素を合成するために鉄隕石粒子の触媒特性を実験的に研究するという彼のアイデアについて私に話したとき、私が最初に考えたのは、私たちも研究する必要があるということでした」と語った。 「火山灰粒子の触媒特性。結局のところ、初期の地球は地質学的に活動的だったはずです。大気中や地球の最初の陸地には、細かい火山灰粒子がたくさんあったはずです。」

実験のために、トラップとセミノフはトラップの博士とチームを組みました。 学生のソフィア・ピーターズは博士課程の一環として実験を実施することになった。 仕事。 隕石や鉱物へのアクセス、およびそのような物質の分析の専門知識について、彼らは、ミュンヘン国立鉱物学研究所の隕石の専門家である鉱物学者のルパート・ホッホライトナーに連絡を取りました。

実験の最初の材料は常に鉄粒子の供給源でした。 実験のさまざまなバージョンでは、これらの鉄粒子は、実際の鉄隕石からの鉄、鉄を含む石隕石からの粒子、またはエトナ山の火山灰である可能性があり、後者は、鉄が豊富な粒子の代用として使用されます。は、非常に活発な火山活動を伴う初期の地球に存在していたと考えられます。 次に、鉄粒子は、初期の地球で発見された可能性のあるさまざまな鉱物と混合されました。 これらのミネラルは支持構造として機能します。 触媒は通常、適切な基板上に小さな粒子として存在します。

粒子サイズが重要です。 火山の噴火によって生成される細かい火山灰粒子のサイズは、通常、数マイクロメートルです。 一方、初期の地球の大気中を落下する隕石の場合、大気の摩擦によりナノメートルサイズの鉄粒子が消失する可能性がある。 鉄隕石（またはより大きな小惑星の鉄核）の衝突では、破片化によって直接マイクロメートルサイズの鉄粒子が生成され、鉄が激しい熱で蒸発し、その後周囲の空気中で再び凝縮するとナノメートルサイズの粒子が生成されます。 。

研究者らは、このさまざまな粒子サイズを 2 つの異なる方法で再現することを目指しました。 隕石を酸に溶かすことで、準備した物質からナノメートルサイズの粒子を生成した。 そして、隕石物質または火山灰のいずれかをボールミルに15分間入れることによって、研究者らはより大きなマイクロメートルサイズの粒子を生成することができた。 このようなボールミルは、材料と鋼球の両方が入ったドラムであり、高速で回転し、この場合は 1 秒間に 10 回以上回転し、鋼球が材料を粉砕します。

地球の最初の大気には酸素が含まれていなかったため、研究者らはその後、混合物からほぼすべての酸素を除去する化学反応を追跡調査しました。

実験の各バージョンの最終ステップとして、混合物は、初期地球の大気をシミュレートするために選択された、（主に）二酸化炭素 CO2 と（一部の）水素分子で満たされた圧力室に導入されました。 正確な混合物と圧力の両方を実験ごとに変更しました。

結果は印象的でした。鉄触媒のおかげで、メタノール、エタノール、アセトアルデヒドなどの有機化合物だけでなく、ホルムアルデヒドも生成されました。 これは心強い収穫です。特にアセトアルデヒドとホルムアルデヒドは、脂肪酸、核酸塩基（それ自体が DNA の構成要素です）、糖、アミノ酸の重要な構成要素です。

重要なのは、これらの反応がさまざまな圧力と温度条件下で成功裏に起こったことです。 ソフィア・ピーターズ氏は、「初期地球の特性にはさまざまな可能性があるため、考えられるすべてのシナリオを実験的にテストしようとしました。最終的には、50の異なる触媒を使用し、さまざまな圧力値で実験を実行しました。温度、二酸化炭素と水素の分子の比率。」 このようなさまざまな条件下で有機分子が形成されたということは、正確な大気条件がどうなるにせよ、このような反応が初期の地球で起こった可能性があることを強く示しています。

これらの結果により、生命の最初の構成要素が地球上でどのように形成されたのかについて、新たな候補が浮上しました。 海底の高温噴出孔近くでの有機合成や、メタンが豊富な大気中での放電（ユーリー・ミラー実験のような）などの「古典的な」メカニズムや、有機化合物がどのように形成されたかを予測するモデルの仲間入り宇宙の深部に存在し、小惑星や彗星によって地球に運ばれたもの（この MPIA プレスリリースを参照）には、現在では別の可能性があります。それは、隕石鉄粒子または微細な火山灰が、初期の二酸化炭素に富んだ大気中で触媒として機能することです。

このように可能性が広がっているため、初期地球の大気の組成と物理的特性についてさらに詳しく知ることで、研究者は最終的に、さまざまなメカニズムのうちどのメカニズムが与えられた条件下で構成要素の最大の収量をもたらすのか、そしてどれがその可能性が高かったのかを推測できるようになるはずです。これは、私たちの故郷の惑星で無生物から生命への最初の一歩を踏み出すための最も重要なメカニズムです。

詳しくは：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 (2023)。 www.nature.com/articles/s41598-023-33741-8

雑誌情報:科学レポート

マックス・プランク協会提供