Composição de água do mar artificial para estudos de química prebiótica

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Físico-Química

Autores

Silva, A.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO OESTE DA BAHIA - UFOB) ; Carneiro, C.E.A. (UFOB) ; Soares, E. (UFOB) ; Pereira, H. (UFOB) ; Silva, K.M. (UFOB)

Resumo

A sopa primordial, termo introduzido por Oparin e Haldane em 1924 (Miller, 1980) tem recebido considerável atenção desde a descoberta dos ambientes hidrotermais. Esses ambientes são considerados ter grande potencial para o surgimento da vida devido ao fluxo de energia no sistema, onde opera um reator eletroquímico natural. O presente trabalho realizou um levantamento dos tipos de hidrotermais e avaliou a concentração dos elementos químicos presentes nos mesmos. Foi, ainda, formulada uma água do mar artificial para simular o período de de 4,0 bilhões de anos. A quantidade de NaCl definida foi duas vezes a quantidade estimada para a água do mar atual e os demais elementos foram escolhidos considerando-se a ocorrência nos sistemas hidrotermais e possível relevância para a origem da vida.

Palavras chaves

Hidrotermais ; Água do mar ; Haldean

Introdução

A partir do experimento de Miller (1953) sobre a complexação de moléculas simples para formação de aminoácidos, é que o estudo sobre a origem da vida teve uma evidência experimental. O estudo da química prebiótica concentra-se no período anterior a 3,8 bilhões de anos, pois posterior a esse período existe a comprovação de organismos celulares. A sopa primordial, termo introduzido por Oparin e Haldane em 1924 (Miller, 1980) tem recebido considerável atenção desde a descoberta, nas ilhas Galápagos no ano de 1970, dos ambientes hidrotermais (Kitadai, 2015). . Estima-se que os oceanos datam do período Haldean (5,55 a 4,0 bilhões de anos) (Hazen et al., 2008) e que anteriormente existiu um oceano primitivo que foi consumido devido a uma chuva de meteoros (Izawa et al.,2010). Do período Hadean até os dias atuais podem ser encontrados nos oceanos vários tipos de hidrotermais, como ambientes variando de altas a médias temperaturas, elevada acidez ou elevada alcalinidade (Shibuya et al., 2013, Russell et al., 2010, Takai et al., 2006) assim como uma variação na composição e na concentração salina das águas dos oceanos. A hipótese de que esses ambientes hidrotermais possuem elevada concentração de H2, e que isso está associado ao processo de serpentinização de rochas ultramáficas são os mais favoráveis ao evento da origem da vida e muito debatido no meio científico (Jackson, 2016, Shibuya et al., 2016, Takai et al., 2006, Galante, et al., 2016). O objetivo deste trabalho foi realizar um levantamento dos tipos de hidrotermais e avaliar as concentrações dos elementos químicos presentes para então formular uma água do mar artificial que pudesse simular as condições para os estudos de origem da vida no período de 4 bilhões de anos.

Material e métodos

Foram utilizados os seguintes reagentes para o preparo de 1 L de solução: 46,09 g de NaCl (Êxodo), 4,4 x 10-4 g de NaH2PO4 (Nuclear), 3,78 x 10-2 g de Na2SiO3.5H2O (Vetec), 12,54 g de MgSO4.7 H2O (Dinâmica), 1,41 g de KCl (Nuclear), 3,04 g de CaCl2 (Vetec), 4,5 x 10-2 g de H3BO3 (Vetec), 2,41 x 10-6 g de ZnSO4.7H2O (Isofar), e 2,76 x 10-4 g de FeSO4.7H2O (Vetec), 1,69 x 10-7 g de MnSO4.H2O. Foram preparadas as seguintes soluções: Solução de metasilicato de sódio: foi pesado 150 mg do sal e solubilizado em balão de 25 mL com água destilada, retirado 630 L e transferido para balão volumétrico de 1 L. Solução de ácido bórico: foi pesado 150 mg e solubilizado em balão de 25 mL com água destilada, retirado 750 L e transferido para balão volumétrico de 1 L. Solução de sulfato de zinco: foi pesado 22,5 mg e solubilizado em balão de 25 mL com água destilada. A partir dessa solução foi realizada uma diluição de 1 mL em balão de 25 mL e retirado 67,0 L e transferido para balão volumétrico de 1 L. Solução de fosfato de sódio monobásico: foi pesado 10 mg e solubilizado em balão de 25 mL com água destilada, retirado 1,10 mL e transferido para balão volumétrico de 1 L. Solução de sulfato de manganês: foi pesado 10 mg e solubilizado em balão de 25 mL com água destilada, A partir dessa solução foi realizada uma diluição de 100 L em balão de 25 mL e retirado 106,0 L e transferido para balão volumétrico de 1 L. Solução de sulfato de ferro(II): foi pesado 10 mg e solubilizado em balão de 25 mL com água destilada, retirado 690,0 L e transferido para balão volumétrico de 1 L.

Resultado e discussão

O tipo de fonte hidrotermal está relacionado com a temperatura que é expelida a água. Os respiradouros termais de mais baixa temperatura liberam águas quentes que são 5 a 10 vezes ainda mais quentes do que água do mar em oceano profundo (2-3°C) e não há presença de fumo. Quando as temperaturas máximas variam entre 30ºC e 300ºC o fumo é branco pela presença de BaSO4 e CaSO4 (fumarolas brancas). Quando a água é emanada a 350-400ºC o fumo expelido é negro devido à presença de sulfuretos metálicos, (fumarolas negras) (Mello e Quental, 2001; Tivey et al., 2012; Beaulieu et al., 2013). Muitos esforços vêm sendo feitos para coletar fluidos de aberturas hidrotermais submarinas para estudos e a distribuição de constituintes inorgânicos estáveis e proporções isotópicas vêm sendo amplamente documentadas (Merlivat et al., 1987, Tsunogai et al., 2000, Masuda et al., 2015). Em química prebiótica, o interesse sobre a composição das águas dos oceanos está, em média, no período de 4.0 a 3.8 bilhões de anos. Esse período é considerado ter sido o inicio da vida na Terra e de acordo com estudos geológicos já havia se estabelecido o novo oceano permanente primitivo (Carneiro, et al., 2011). Ainda existem muitas dúvidas sobre a composição da água do mar no período prebiótico, mas estima-se que a salinidade tenha sido até duas vezes maior do que nos dias atuais e que o NaCl foi o principal contribuinte (Izawa et al., 2010, Zaia, 2012). A salinidade da água do mar atual é dada em função da concentração de NaCl, e a quantidade usado para preparar a água do mar artificial foi duas vezes a quantidade descrita por Brown, et al. (2004). Os demais elementos foram escolhidos considerando-se a ocorrência nos sistemas hidrotermais e possível relevância para a origem da vida, como mostra a Tabela 1.

Conclusões

A água do mar artificial proposta para o período de 4,0 bilhões de anos foi sugerida com base na composição dos sistemas hidrotermais mapeados na revisão bibliográfica. A concentração de NaCl foi duas vezes a proposta por Brown et al. (2004), o elemento Ca teve sua concentração limitada a uma quantidade que não levasse à precipitação do mesmo na solução, para tal foi necessário testar diversas ordens de adição e quantidades de CaCO2. A água do mar artificial de 4,0 Ga apresentou um pH de 8,42, valor próximo do estimado para a água do mar atual, e a condutividade foi de 144,42 mS cm-1.

Agradecimentos

Ao Programa de Pós-graduação em Química Pura e Aplicada - POSQUIPA da Universidade Federal do Oeste da Bahia - UFOB.

Referências

Beaulieu, S. E., Baker, E. T., German, C. R., Maffei, A. An Authoritative Global Database for Active Submarine Hydrothermal Vent Fields. Geochemistry. Geophysics. Geosystems, 2013, 14: 4892–4905.

Brown, E., Colling, A., Park, D., Phillips, J., Rothery, D., Wright, J. Seawater: Its Composition, Properties and Behavior, The Open University, Oxford, 2004.

Carneiro, C. E. A., Machado, C. F. C., Sousa Jr,. I. G., Paesano Jr., A., Di Mauro, E., da Costa, A C. S., de Santana, H., Zaia, D. A. M. Modification of montmorillonite with Sodium Sulfide for Prebiotic Chemistry Studies: Characterization Using Spectroscopy Methods e X-ray diffractometry. J. Serv. Chem. Soc., 2011, 86:18-22.

Galante, D., Silva, E. P., Rodrigues, F., Horvath, J.E., Avellar, M.G.B. Astrobiologia: Uma Ciência Emergente / Núcleo de Pesquisa em Astrobiologia, São Paulo. Tikinet Edição, IAG/USP, 2016, 390p. ISBN 978-85-66241-03-7.

Hazen, R. M., PaPineau, DoM., Bleeker W., Downs, R. T., Ferry, J. M., Mccoy,T. J., SveRJensky, DiM. A., Yang, H. Mineral Evolution, American Mineralogist, 2008, 93: 1693–1720.

Izawa, M.R.M., Nesbit, H.W., MacRae, N.D. & Hoffman, E.L. Composition and evolution of the early oceans: Evidence from the Tagish Lake meteorite Earth and Planetary, Science Letters., 2010, 298: 443–449.

Jackson, J. B. Natural pH Gradients in Hydrothermal Alkali Vents Were Unlikely to Have Played a Role in the Origin of Life, J Mol Evol, 2016, 83: 1–11.

Kitadai, N. Energetics of Amino Acid Synthesis in Alkaline Hydrothermal Environments, Orig Life Evol Biosph, 2015. DOI 10.1007/s11084-015-9428-3.

Masuda, H., Fryer, P. Geochemical Characteristics of Active Back Arc Basin Volcanism at the Southern end of the Mariana Trough. In: Ishibashi,J., Okino,K., Sunamura, M. Subseafloor Biosphere Linked to Hydrothermal Systems, TAIGA Concept. Springer Japan, Tokyo, 2015, pp.261–273.

Mello, S., Quental, S. Depósitos de sulfuretos metálicos no fundo dos oceanos,
Brazilian Journal of Geophysics, 2000, volume18, n°3.

Merlivat, L., Pineau, F., Javoy, M. Hydrothermal Vent Water Sat 13°N on the East Pacific Rise: Isotopic Composition and Gas Concentration, Earth Planet. Sci. Lett., 1987, 84,100–108.

Miller, S. L. Prebiotic Synthesis of Organic Compounds, in Mineral deposits and the evolution of the biosphere: Report of the Dahlem Workshop on Biospheric Evolution and Precambrian Metallogeny, Berlin, 1980.

Russell M. J., Hall A. J. and Martin W. Serpentinization as a Source of Energy at the Origin of Life, Geobiol., 8:355–371.

Shibuya, T., Russell, M., Takai, K. Free Energy Distribution and Hydrothermal Mineral Precipitation in Hadean Submarine Alkaline Vent Systems: Importance of Iron Redox Reactions Under Anoxic Conditions, Geochimica et Cosmochimica Acta, 2016, 175:1–19.

Takai K., Nakamura K., Suzuki K., Inagaki F., Nealson K. H. and Kumagai H. Ultramafics Hydrothermalism Hydrogenesis Hyper SLiME (UltraH3) Linkage: A Key Insight Into Early Microbial Ecosystem in the Archean Deep-sea Hydrothermal Systems, Paleontol, 2006, 10:269–282.

Tivey, M. K., Becker, E., Beinart, R., Fisher, C. R., Girguis, P. R., Langmuir, C. H., Michael, P. J., Reysenbach, A. L. Links from Mantle to Microbe at the Lau Integrated Study Site, Oceanography, 2012, 25:62–77.

Tsunogai, U.,Yoshida,N.,Ishibashi,J.,Gamo,T.,2000.Carbonisotopicdistributionof methane in deep-sea hydrothermal plume, Myojin Knoll Caldera, Izu-Bonin arc: implications for microbial methane oxidation in the oceans and applications to heat flux estimation. Geochim. Cosmochim. Acta 64, 2439–2452.

Zaia, D.A.M. Adsorption of Amino Acids and Nucleic Acid Bases Onto Minerals: A Few Suggestions for Prebiotic Chemistry Experiments, International Journal of Astrobiology, 2012, 11 (4): 229–234.