Synthèse de matières organiques prébiotiques à partir de CO2 par catalyse avec des particules météoritiques et volcaniques

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6843 (2023) Citer cet article

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L’émergence des matières organiques prébiotiques était une étape obligatoire vers l’origine de la vie. L'importance de l'apport exogène par rapport à la synthèse in situ à partir de gaz atmosphériques fait encore l'objet de débats. Nous démontrons expérimentalement que les particules météoritiques et volcaniques riches en fer activent et catalysent la fixation du CO2, produisant ainsi les précurseurs clés des éléments constitutifs de la vie. Cette catalyse est robuste et produit sélectivement des aldéhydes, des alcools et des hydrocarbures, indépendamment de l'état redox de l'environnement. Elle est facilitée par des minéraux communs et tolère un large éventail de conditions planétaires primitives (150 à 300 °C, ≲ 10 à 50 bars, climat humide ou sec). Nous constatons que jusqu'à 6 × 108 kg/an de matières organiques prébiotiques auraient pu être synthétisées par ce processus à l'échelle planétaire à partir du CO2 atmosphérique sur la Terre Hadéenne.

La formation de molécules organiques réactives pour former les éléments constitutifs de la vie sur la Terre naissante est l’une des conditions préalables à l’abiogenèse1,2,3. L’émergence d’une croûte continentale stable et d’eau liquide sur Terre il y a ∼ 4,4 Gyr4,5, et les premières signatures isotopiques du carbone biogénique il y a ∼ 3,8 à 4,1 Gyr6,7 suggèrent que la vie est apparue seulement ∼ 400 à 700 millions d’années après la Terre. formation de la Terre8,9,10. Ce laps de temps relativement court indique que la majeure partie des précurseurs organiques s'est déjà formée sur la Terre hadéenne il y a déjà 4,4 Gyr. Une possibilité est que les constituants organiques prébiotiques formés dans la nébuleuse solaire, les astéroïdes riches en carbone et les comètes aient été transportés sur la Terre primitive11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21. D'autres théories envisagent la synthèse dans l'atmosphère et dans l'océan par des processus catalytiques ou à haute énergie (foudres, énergie volcanique, chocs d'impact)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. Certains des processus chimiques sous-jacents ont été simulés expérimentalement, comme la synthèse de Miller-Urey dans une atmosphère riche en CH4, la catalyse Fischer-Tropsch64 dans des environnements riches en CO, la fixation du CO2 sur du pyruvate sur des nanoparticules de fer et de nickel65, la synthèse aqueuse de Strecker de les acides aminés à l’intérieur des astéroïdes carbonés ou la chimie de la glace interstellaire dans les comètes.

Pourtant, il est difficile de déduire avec certitude quel scénario était le plus dominant (le cas échéant) en raison de données clés manquantes. Dans le scénario de livraison exogène, outre les taux de bombardement initiaux controversés, une fraction mal connue de la matière organique aurait été perdue lors de l'entrée dans l'atmosphère par ablation, en raison des chocs d'impact et de la pyrolyse par chauffage, ou de la dissolution dans la croûte fondue. Dans le scénario de synthèse in situ, la synthèse de type Miller-Urey aurait été moins productive dans une atmosphère neutre et riche en CO2 et en N2 de la Terre primitive par rapport aux conditions atmosphériques réduites, riches en CH4, N2 et H2 supposées. dans les premières expériences66,67,68.

Autre scénario possible, la synthèse organique autour des sources hydrothermales au fond des océans a été largement étudiée58,61,69,70. La synthèse organique dans l'océan présente des limites liées à la dilution des produits de réaction ou à la vaporisation par impacts géants71. Il existe d'autres scénarios proposés, par exemple la synthèse organique dans les étangs darwiniens de la surface continentale72, la synthèse pilotée par la réduction du fer natif du CO261, ou la synthèse de type Urey-Miller pilotée par la conversion d'une atmosphère terrestre neutre à un état réduit lors d'une collision avec un seul noyau de fer de 1023 kg73, etc.

Nous proposons une autre voie robuste vers la formation de matière organique prébiotique clé sur la Terre primitive. Dans ce scénario, des particules microscopiques riches en fer provenant de l’espace ou formées in situ par des impacts géants74, l’ablation de météorites75 ou produites par des éruptions volcaniques avaient entraîné de manière catalytique la fixation du CO2 de l’atmosphère. Les minéraux naturels disponibles sur les îles volcaniques de la Terre primitive auraient servi de matériaux supports dans cette synthèse (cf. Fig. 1). Pour tester cette idée, nous avons étudié expérimentalement les propriétés catalytiques des particules de fer provenant de météorites et de cendres volcaniques dans les conditions de réaction simulées de la Terre primitive en présence de CO2, H2 et H2O.