Одной из ведущих теорий относительно возникновения жизни на Земле является ее появление в горячих источниках на дне океана. При этом начальная роль в обеспечении организмов энергией отводится химическим реакциям с сульфидом железа.
Сульфиды железа и их роль в пребиотических реакциях
Международная группа ученых опубликовала исследование, освещающее потенциальную роль сульфидов железа в формировании жизни в ранних земных горячих источниках. По мнению исследователей, сульфиды могли катализировать восстановление газообразного углекислого газа до пребиотических органических молекул неферментативным путем.
Эта работа, опубликованная в журнале Nature Communications, предлагает новое понимание ранних углеродных циклов Земли и пребиотических химических реакций, подчеркивая значение сульфидов железа в поддержке гипотезы происхождения жизни из горячих источников на Земле.
Сульфиды железа, распространенные в гидротермальных системах ранней Земли, могли способствовать основным пребиотическим химическим реакциям, подобно функции кофакторов в современных метаболических системах. Предыдущие исследования сульфидов железа и происхождения жизни были сосредоточены преимущественно на глубоководных щелочных гидротермальных источниках, которые обеспечивают благоприятные условия, такие как высокая температура, давление, градиенты рН и водород (H2) от серпентинизации — факторы, которые, как полагают, поддерживают пребиотическую фиксацию углерода.
Однако некоторые ученые предлагают рассматривать наземные горячие источники как еще одно вероятное место зарождения жизни благодаря богатому содержанию минералов, разнообразным химическим веществам и обильному солнечному свету.
Каталитическая активность сульфидов железа
Чтобы исследовать роль сульфидов железа в наземной пребиотической фиксации углерода, группа ученых синтезировала серию наноразмерных сульфидов железа из макинавита, включая чистый сульфид железа и сульфиды железа, допированные такими распространенными элементами горячих источников, как марганец, никель, титан и кобальт.
Эксперименты показали, что эти сульфиды железа могут катализировать восстановление CO2 под действием H2 при определенных температурах (80–120 °C) и атмосферном давлении. Для количественного определения образования метанола использовали газовую хроматографию.
Исследование подтвердило, что легированные марганцем сульфиды железа демонстрируют чрезвычайно высокую каталитическую активность при 120°C. Эта активность еще больше возрастала под действием ультрафиолетового (300–720 нм) и усиленного ультрафиолетом (200–600 нм) света, что свидетельствует о том, что солнечный свет может играть определенную роль в протекании этой реакции, облегчая химические процессы. Кроме того, введение водяного пара повысило каталитическую активность, еще раз подтвердив, что наземные горячие источники, наполненные паром, могли служить ключевыми местами для неферментативного органического синтеза на ранней Земле.
Для дальнейшего изучения механизма восстановления СО2 под действием Н2 команда провела натурные исследования с использованием инфракрасной спектроскопии с диффузным отражением и преобразованием Фурье (DRIFTS).
Эффективность реакций с сульфидом железа в горячих источниках
Результаты показали, что реакция, вероятно, протекает путем обратного водно-газового сдвига (ОВГС), в котором СО2 сначала восстанавливается до монооксида углерода (СО), который впоследствии гидрируется с образованием метанола.
Расчеты теории функционала плотности (DFT) предоставили дополнительную информацию, показав, что легирование марганцем не только снижает энергию активации реакции, но и создает высокоэффективные центры переноса электронов, тем самым повышая эффективность реакции. Окислительно-восстановительные характеристики сульфидов железа делают их функционально аналогичными современным метаболическим ферментам, обеспечивая химическую основу для пребиотической фиксации углерода.
Это исследование подчеркивает потенциал сульфидов железа катализировать пребиотическую фиксацию углерода в ранних земных горячих источниках, открывая новые направления для изучения происхождения жизни и поддерживая усилия по поиску внеземной жизни.
По материалам phys.org
