Creación en laboratorio

Cómo el hierro de los meteoritos pudo haber contribuido al origen de la vida

Una cosa es cierta: la vida en la Tierra surgió muy temprano en la historia del planeta Tierra. Hay pocas respuestas concretas a las preguntas de cómo y dónde se formaron las primeras moléculas orgánicas. Una teoría popular asume que el caldo de cultivo para la vida fueron los respiraderos hidrotermales en las profundidades del mar. Los investigadores proponen un nuevo escenario plausible para el origen de la vida en la Tierra: los meteoritos. El hierro que contienen podría haber jugado un papel decisivo en la formación de los primeros bloques de construcción de la vida.

Un pequeño fragmento del meteorito de hierro Campo del Cielo. El mismo calor intenso que derritió parcialmente el meteorito para producir la superficie lisa visible aquí también habría evaporado y ablacionado el hierro, creando partículas diminutas del tamaño de un nanómetro. Estas partículas podrían haber actuado como catalizadores para producir los componentes básicos de la vida en la Tierra primitiva.

© O. Trapp

Investigadores del Instituto Max Planck de Astronomía y la Universidad Ludwig Maximilian de Munich han utilizado experimentos con meteoritos y cenizas volcánicas para mostrar una nueva forma en que las moléculas orgánicas podrían haberse formado bajo las condiciones de la Tierra primitiva. El papel clave aquí lo juegan las partículas de hierro de los meteoritos y las cenizas volcánicas, que actúan como catalizadores. Los catalizadores son sustancias cuya presencia acelera reacciones químicas específicas, pero que no se consumen en el proceso. De esa manera, son similares a las herramientas utilizadas en la fabricación, por ejemplo, para construir no solo una bicicleta sino varias.

En este caso, es plausible que estas partículas de hierro pudieran haber contribuido a la formación de las primeras moléculas orgánicas a partir de la atmósfera primordial rica en dióxido de carbono, incluidos los hidrocarburos, el acetaldehído o el formaldehído. Estas sustancias son, a su vez, componentes básicos de los ácidos grasos, las nucleobases (en sí mismas, los componentes básicos del ADN), los azúcares y los aminoácidos. Estas moléculas orgánicas son los componentes básicos de organismos más complejos. Su formación fue el primer paso inicial en una secuencia de eventos que trajeron vida a la Tierra. Se necesitaron alrededor de 2 mil millones de años para que se formaran las primeras células (eucariotas).

La inspiración clave para la investigación provino, sobre todo, de la química industrial. Se sabe que el monóxido de carbono y el hidrógeno se pueden convertir en hidrocarburos con la ayuda de catalizadores metálicos. El proceso detrás de esto se llama el proceso Fischer-Tropsch. Oliver Trapp, profesor de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich y becario Max Planck del Instituto Max Planck de Astronomía, se preguntó si este proceso no podría haber tenido lugar también en una Tierra primitiva con una atmósfera rica en dióxido de carbono: "Cuando miré la composición química del meteorito de hierro de Campo-del-Cielo, que consiste en hierro, níquel, algo de cobalto y pequeñas cantidades de iridio, inmediatamente me di cuenta de que se trata de un catalizador Fischer-Tropsch perfecto", explica Trapp. El siguiente paso lógico fueron los experimentos para probar la versión cósmica de Fischer-Tropsch.

Dmitry Semenov, miembro del personal del Instituto Max Planck de Astronomía, puso en juego la ceniza volcánica: "Cuando Oliver me habló de su idea, lo primero que pensé fue que también deberíamos estudiar las propiedades catalíticas de las partículas de ceniza volcánica. Después de todo, la La Tierra primitiva debe haber sido geológicamente activa". Debería haber muchas partículas finas de ceniza en la atmósfera y en las primeras masas terrestres de la Tierra.

La estudiante de doctorado de Trapp, Sophia Peters, llevó a cabo los experimentos necesarios como parte de su trabajo de doctorado. Para acceder a meteoritos y minerales, así como experiencia en el análisis de dichos materiales, se acercó al mineralogista Rupert Hochleitner, experto en meteoritos en Mineralogische Staatssammlung en Munich. Para sus experimentos, utilizaron partículas de hierro de un meteorito de hierro, un meteorito pedregoso que contiene hierro o cenizas volcánicas del Monte Etna. Luego, las partículas de hierro se mezclaron con varios minerales, ya que se suponía que estaban presentes en la Tierra primitiva. Estos minerales servían como estructura de soporte, ya que los catalizadores suelen acumularse como pequeñas partículas sobre un sustrato adecuado.

El tamaño de las partículas importa. Las finas partículas de ceniza producidas por las erupciones volcánicas suelen tener un tamaño de unos pocos micrómetros. En el caso de meteoritos ricos en hierro que cayeran a través de la atmósfera de la Tierra primitiva, la fricción atmosférica eliminaría partículas de hierro de tamaño micrométrico y nanométrico, mientras que el hierro se evaporaría en el calor intenso y luego volvería a solidificarse en el aire circundante.

Los investigadores intentaron reproducir esta variedad de tamaños de partículas de dos maneras diferentes. Al disolver el material del meteorito en ácido, produjeron partículas de tamaño nanométrico a partir de su material preparado. Y al colocar el material del meteorito o la ceniza volcánica en un molino de bolas durante 15 minutos, los investigadores produjeron mecánicamente partículas más grandes del tamaño de un micrómetro. Dicho molino de bolas es un tambor que contiene tanto el material como las bolas de acero. El tambor gira a alta velocidad, en este caso más de diez veces por segundo, con las bolas de acero triturando el material.

Dado que la atmósfera de la Tierra original no contenía oxígeno, el equipo llevó a cabo reacciones químicas que eliminaron casi todo el oxígeno de la mezcla. Luego, los científicos llevaron la mezcla a una cámara de presión llena principalmente de dióxido de carbono (CO2) y moléculas de hidrógeno. A diferencia de hoy, la atmósfera en ese entonces estaba compuesta principalmente por CO2 y vapor de agua y ejercía casi cien veces la presión atmosférica sobre la superficie de la Tierra. "Dado que hay muchas posibilidades diferentes para las propiedades de la Tierra primitiva, traté de probar experimentalmente todos los escenarios posibles", dice Sophia Peters. "Al final, utilicé cincuenta catalizadores diferentes y realicé el experimento con varios valores de presión, temperatura y la proporción de dióxido de carbono y moléculas de hidrógeno".

Bajo las condiciones de una Tierra joven simulada aquí, la atmósfera antigua reaccionó para producir una cantidad considerable de compuestos orgánicos como metanol, etanol y acetaldehído, así como formaldehído, gracias al polvo de hierro. El acetaldehído y el formaldehído en particular son los compuestos de importantes componentes básicos de la vida: ácidos grasos, nucleobases, azúcares y aminoácidos. El resultado es una fuerte indicación de que tales reacciones pueden haber tenido lugar en la Tierra primitiva, en gran medida independientemente de la composición exacta de la atmósfera de la Tierra en ese momento, que actualmente no conocemos.

Con estos resultados, ahora hay un nuevo contendiente sobre cómo se formaron los primeros componentes básicos de la vida en la Tierra. Unirse a las filas de los mecanismos "clásicos" como la síntesis orgánica cerca de los respiraderos calientes en el fondo del océano, o la descarga eléctrica en una atmósfera rica en metano (como en el experimento de Urey-Miller), y de los modelos que predicen cómo se podrían haber formado los compuestos orgánicos en las profundidades del espacio y transportadas a la Tierra por asteroides o cometas (ver este comunicado de prensa MPIA), ahora existe otra posibilidad: partículas de hierro que llovieron sobre la Tierra durante el bombardeo temprano de meteoritos o ceniza volcánica fina. Estos muy probablemente actuaron como catalizadores en una atmósfera temprana rica en dióxido de carbono, anunciando el origen de la vida en la Tierra.

Como en la vida real, es probable que no solo un camino conduzca a la meta, sino varios. Con este nuevo proceso, se abre un amplio abanico de posibilidades. Hay buenas posibilidades de que más investigaciones sobre la atmósfera primordial y las propiedades físicas de la Tierra primitiva arrojen luz sobre cuál de los diversos mecanismos produce el mayor rendimiento de componentes básicos de la vida en condiciones realistas. El papel del hierro como catalizador tiene una particularidad: el origen de este elemento se encuentra en el interior de enormes estrellas, las cocinas cósmicas de las galaxias. Al final de sus vidas, estas estrellas enriquecen el gas interestelar con los mismos elementos que se crearon en su interior a través de explosiones masivas de supernovas. Entre ellos está el hierro, un catalizador potencial para la vida que podría haberse vuelto activo no solo en la Tierra.

MP/TB