Opdagelse af sjældne nitrogenmolekyler giver fingerpeg om sammensætningen af ​​andre livbærende planeter

Et team af videnskabsmænd, der bruger et avanceret UCLA-instrument, rapporterer opdagelsen af ​​en "tovtrækning" af liv på planetarisk skala, dybe Jord og den øvre atmosfære, der udtrykkes i atmosfærisk nitrogen.

Jordens atmosfære adskiller sig fra atmosfæren på de fleste andre klippeplaneter og måner i vores solsystem ved, at den er rig på nitrogengas, eller N2; Jordens atmosfære er 78 procent nitrogengas. Titan, den største af Saturns mere end 60 måner, er det andet legeme i vores solsystem med en nitrogenrig atmosfære, der ligner vores.

Sammenlignet med andre nøgleelementer i livet - såsom ilt, brint og kulstof - molekylært nitrogen er meget stabilt. To nitrogenatomer kombineres og danner N2-molekyler, der forbliver i atmosfæren i millioner af år.

Størstedelen af ​​nitrogen har en atommasse på 14. Mindre end én procent af nitrogen har en ekstra neutron. Mens denne tunge isotop, nitrogen-15, er sjælden, N2-molekyler, der indeholder to nitrogen-15'er - som kemikere kalder 15N15N - er de sjældneste af alle N2-molekyler.

Holdet af videnskabsmænd målte mængden af ​​15N15N i luften og opdagede, at denne sjældne form for nitrogengas er langt mere udbredt, end forskerne havde forventet. Jordens atmosfære indeholder omkring to procent mere 15N15N, end der kan forklares ved geokemiske processer, der forekommer nær Jordens overflade.

"Dette overskud var ikke kendt før, fordi ingen kunne måle det, " sagde seniorforfatter Edward Young, en UCLA professor i geokemi og kosmokemi. "Vores enestående Panorama-massespektrometer giver os mulighed for at se dette for første gang. Vi udførte eksperimenter, der viste, at den eneste måde, hvorpå dette overskud af 15N15N kan forekomme, er ved sjældne reaktioner i den øvre atmosfære. To procent er en kæmpe overskud."

Young sagde, at berigelsen af ​​15N15N i Jordens atmosfære er en signatur, der er unik for vores planet. "Men det giver os også et fingerpeg om, hvordan signaturer fra andre planeter kan se ud, især hvis de er i stand til at understøtte livet, som vi kender det."

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Vi troede ikke på målingerne i starten, og brugte omkring et år på at overbevise os selv om, at de var nøjagtige, " sagde hovedforfatter Laurence Yeung, en assisterende professor i Jorden, miljø- og planetvidenskab ved Rice University.

Undersøgelsen begyndte for fire år siden, da Yeung, derefter en UCLA-postdoktor i Youngs laboratorium, lærte om det første af sin slags massespektrometer, der blev installeret i Youngs laboratorium.

"På det tidspunkt, ingen havde en pålidelig måde at kvantificere 15N15N, " sagde Yeung, som sluttede sig til Rices fakultet i 2015. "Det har en atommasse på 30, det samme som nitrogenoxid. Signalet fra nitrogenoxid overvælder normalt signalet fra 15N15N i massespektrometre."

Forskellen i masse mellem nitrogenoxid og 15N15N er omkring to tusindedele af massen af ​​en neutron. Da Yeung fandt ud af, at den nye maskine i Youngs laboratorium kunne se denne lille forskel, han søgte om tilskudsmidler fra National Science Foundation for at finde ud af præcis, hvor meget 15N15N der er i jordens atmosfære.

Medforfatterne Joshua Haslun og Nathaniel Ostrom ved Michigan State University udførte eksperimenter på N2-forbrugende og N2-producerende bakterier, der gjorde det muligt for holdet at bestemme deres 15N15N-signaturer.

Disse eksperimenter antydede, at man skulle se en smule mere 15N15N i luft, end tilfældige parringer af nitrogen-14 og nitrogen-15 ville producere - en berigelse på omkring 1 del pr. 000, sagde Yeung.

"Der var en smule berigelse i de biologiske eksperimenter, men ikke nær nok til at redegøre for, hvad vi havde fundet i atmosfæren, " sagde Yeung. "Faktisk, det betød, at processen, der forårsagede den atmosfæriske 15N15N-berigelse, skulle kæmpe mod denne biologiske signatur. De er låst i et tovtrækkeri«.

Holdet fandt ud af, at zapping af blandinger af luft med elektricitet, som simulerer kemien i den øvre atmosfære, kunne producere berigede niveauer af 15N15N, som de målte i luftprøver.

Forskerne testede luftprøver fra jordoverfladen og fra højder på omkring 20 miles, samt opløst luft fra lavt havvandsprøver.

"Vi tror, ​​at 15N15N-berigelsen grundlæggende kommer fra kemi i den øvre atmosfære, i højder tæt på den internationale rumstations kredsløb, " sagde Yeung. "Tovtrækningen kommer fra livet, der trækker i den anden retning, og det kan vi se kemiske beviser på. Vi kan se tovtrækkeriet overalt«.

Medforfattere er Isaku Kohl og Edwin Schauble fra UCLA; Huanting Hu af Ris; Shuning Li, tidligere fra UCLA og Rice og nu med Peking University i Beijing; og Tobias Fischer fra University of New Mexico.