운석 및 화산 입자를 이용한 촉매작용을 통해 CO2로부터 프리바이오틱 유기물 합성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6843(2023) 이 기사 인용

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프리바이오틱 유기체의 출현은 생명의 기원을 향한 필수 단계였습니다. 대기 가스의 현장 합성과 외인성 전달의 중요성은 여전히 논쟁 중입니다. 우리는 철분이 풍부한 운석과 화산 입자가 CO2의 고정을 활성화하고 촉매하여 생명 구성 요소의 핵심 전구체를 생성한다는 것을 실험적으로 보여줍니다. 이 촉매작용은 강력하며 환경의 산화환원 상태와 관계없이 선택적으로 알데히드, 알코올 및 탄화수소를 생성합니다. 이는 일반적인 광물에 의해 촉진되며 광범위한 초기 행성 조건(150~300°C, ≲ 10~50bar, 습하거나 건조한 기후)을 견뎌냅니다. 우리는 하데스 지구의 대기 CO2로부터 행성 규모의 과정을 통해 연간 최대 6×108kg의 프리바이오틱 유기물이 합성될 수 있음을 발견했습니다.

초기 지구에서 생명의 구성 요소를 형성하기 위한 반응성 유기 분자의 형성은 자연 발생의 전제 조건 중 하나입니다1,2,3. 약 4.4억 년 전 지구에 안정적인 대륙 지각과 액체 물이 출현했으며4,5, 약 3.8~4.1억 년 전6,7에서 가장 초기의 생물 기원 탄소 동위원소 표시는 생명체가 기원전 약 4억~7억 년 후에 시작되었음을 시사합니다. 지구의 형성8,9,10. 이 상대적으로 짧은 기간은 유기 전구체의 주요 부분이 이미 4.4Gyr 전에 하데스 지구에서 형성되었음을 나타냅니다. 한 가지 가능성은 태양 성운, 탄소가 풍부한 소행성, 혜성에서 형성된 생물 이전의 유기 성분이 초기 지구로 전달되었다는 것입니다11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21. 다른 이론에서는 촉매 또는 고에너지 과정(번개, 화산 에너지, 충격 충격)에 의한 대기와 해양에서의 합성을 고려합니다.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. CH4가 풍부한 대기에서 Miller-Urey 합성, CO가 풍부한 환경에서 Fischer-Tropsch64 촉매 작용, 철과 니켈 나노입자 위에 피루브산을 고정하는 CO2 고정65, 수성 Strecker 합성과 같은 기본 화학 공정 중 일부가 실험적으로 시뮬레이션되었습니다. 탄소질 소행성 내부의 아미노산, 혜성의 성간 얼음 화학.

그러나 핵심 데이터가 누락되어 어떤 시나리오가 가장 지배적이었는지를 확실하게 추론하기는 어렵습니다. 외인성 전달 시나리오에서는 논쟁의 여지가 있는 초기 폭격 속도 외에도 충격 충격 및 가열에 의한 열분해 또는 녹은 지각의 용해로 인해 절제에 의한 대기 진입 시 잘 알려지지 않은 유기물의 일부가 손실되었을 것입니다. 현장 합성 시나리오에서 Miller-Urey 유사 합성은 CH4, N2, H2가 풍부한 감소된 대기 조건에 비해 초기 지구의 CO2 및 N2가 풍부한 중성 대기에서 생산성이 떨어졌을 것입니다. 초기 실험66,67,68에서.

또 다른 가능한 시나리오인 해저 열수 분출구 주변의 유기 합성이 광범위하게 연구되었습니다58,61,69,70. 해양에서의 유기 합성은 반응 생성물의 희석이나 거대한 충격에 의한 기화와 관련된 한계를 가지고 있습니다71. 제안된 다른 시나리오도 있습니다. 예를 들어 대륙 표면의 다윈 연못에서의 유기 합성, CO261의 천연 철 환원에 의한 합성, 또는 지구 중성 대기를 충돌 시 환원 상태로 변환하여 유도되는 Urey-Miller 유사 합성 등이 있습니다. 단일 1023kg 철심73 등

우리는 초기 지구에서 주요 프리바이오틱스 유기물을 형성하는 또 다른 강력한 경로를 제안합니다. 이 시나리오에서는 우주에서 나온 미세한 철분이 풍부한 입자나 거대 충돌74, 운석 제거75에 의해 현장에서 형성되거나 화산 폭발에 의해 생성된 입자가 촉매적으로 대기에서 CO2 고정을 유도했습니다. 초기 지구의 화산섬에서 구할 수 있는 천연 광물은 이 합성에서 지원 물질로 사용되었을 것입니다(그림 1 참조). 이 아이디어를 테스트하기 위해 우리는 CO2, H2 및 H2O가 존재하는 초기 지구의 모의 반응 조건에서 운석과 화산재에서 나온 철 입자의 촉매 특성을 실험적으로 조사했습니다.

11.81 nm > 9.63 nm) and we observed that the yield of CO2 [silica gel: TON = 1.37 g/(kg d) < 4.39 g/(kg d) < 36.97 g/(kg d)] conversion increased in catalytic experiments (for more details see Table S10 in the SI). Using a ball mill, we produced microscopic catalysts with a 100 times bigger particle size. Surprisingly, such large particles still showed catalytic activity. However, in contrast to the catalysts formed during wet impregnation, the metal ratio in these micrometer-sized catalysts had to exceed a threshold to show a significant product formation (see Supplementary Information Table S11). For the catalyst prepared from the Campo del Cielo meteorite supported on diopside, we observed a similar activity for ball milled micrometer-sized particles and for the nanoparticle catalysts. For the other catalysts, the turnover number for the ball mill particles was 3–24% of that of the nanoparticles (see Supplementary Information Table S11). This can be explained by the lower surface-to-volume ratio of the ball mill particles as compared to the nanoparticles, leading to a smaller number of catalytic surface sites per unit area of the support./p>