Tunge nitrogenmolekyler afslører tovtrækning i planetarisk skala

Naturen hvisker sine historier i et svagt molekylært sprog, og Rice University videnskabsmand Laurence Yeung og kolleger kan endelig fortælle en af ​​disse historier i denne uge, takket være et enestående instrument, der gjorde det muligt for dem at høre, hvad atmosfæren siger med sjældne nitrogenmolekyler.

Yeung og kolleger hos Rice, UCLA, Michigan State University og University of New Mexico talte sjældne molekyler i atmosfæren, der kun indeholder tunge isotoper af nitrogen, og opdagede en tovtrækkeri i planetarisk skala mellem liv, den dybe Jord og den øvre atmosfære, der udtrykkes i atmosfærisk nitrogen.

Forskningen blev offentliggjort online i denne uge i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Vi troede ikke på det i starten, " sagde Yeung, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen og en assisterende professor i Jorden, miljø- og planetvidenskab på Rice. "Vi brugte omkring et år på at overbevise os selv om, at målingerne var nøjagtige."

Historien kredser om nitrogen, et nøgleelement i livet, der udgør mere end tre fjerdedele af Jordens atmosfære. Sammenlignet med andre nøgleelementer i livet som ilt, brint og kulstof, nitrogen er meget stabilt. To atomer af det danner N2-molekyler, der anslås at hænge rundt i atmosfæren i omkring 10 millioner år, før de bliver brudt fra hinanden og omdannet. Og langt størstedelen af ​​nitrogen har en atommasse på 14. Kun omkring 0,4 procent er nitrogen-15, en isotop, der indeholder én ekstra neutron. Fordi nitrogen-15 allerede er sjælden, N2-molekyler, der indeholder to nitrogen-15'er - som kemikere omtaler som ¹⁵ N ¹⁵ N - er de sjældneste af alle N ₂ molekyler.

Det viser den nye undersøgelse ¹⁵ N ¹⁵ N er 20 gange mere beriget i Jordens atmosfære, end der kan forklares ved processer, der sker nær Jordens overflade.

"Vi synes, at ¹⁵ N ¹⁵ N-berigelse kommer grundlæggende 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."

Medforfatter Edward Young, professor i jorden, planet- og rumvidenskab ved UCLA, sagde, "berigelsen af ¹⁵ N ¹⁵ N i Jordens atmosfære afspejler en balance mellem den nitrogenkemi, der forekommer i atmosfæren, ved overfladen på grund af liv og inde i selve planeten. Det er en signatur unik for Jorden, 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."

De kemiske processer, der producerer molekyler som N2, kan ændre de odds, som "isotopklumper" kan lide ¹⁵ N ¹⁵ N vil blive dannet. I tidligere arbejde, Yeung, Young og kolleger brugte isotopklumper i ilt til at identificere afslørende signaturer af fotosyntese i planter og ozonkemi i atmosfæren. Nitrogenundersøgelsen begyndte for fire år siden, da Yeung, derefter en postdoc forsker ved UCLA, lærte om et første af sin slags massespektrometer, der blev installeret i Youngs laboratorium.

"På det tidspunkt, ingen havde en pålidelig måde at kvantificere ¹⁵ N ¹⁵ N, " 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 ¹⁵ N ¹⁵ N i massespektrometre."

Forskellen i masse mellem nitrogenoxid og ¹⁵ N ¹⁵ N 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 tilskud fra National Science Foundation (NSF) for at undersøge præcis hvor meget ¹⁵ N ¹⁵ N var i Jordens atmosfære.

"Biologiske processer er hundrede til tusind gange hurtigere ved at cirkulere nitrogen gennem atmosfæren end geologiske processer, " sagde Yeung. "Hvis det hele er business as usual, man kunne forvente, at atmosfæren ville afspejle disse biologiske kredsløb."

For at finde ud af, om dette var tilfældet, medforfatterne Joshua Haslun og Nathaniel Ostrom ved Michigan State University udførte eksperimenter med N2-forbrugende og N2-producerende bakterier for at bestemme deres ¹⁵ N ¹⁵ N underskrifter.

Disse eksperimenter tydede på, at man skulle se lidt mere ¹⁵ N ¹⁵ N i luften 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 den proces, der forårsager den atmosfæriske ¹⁵ N ¹⁵ N-berigelse skal kæmpe mod denne biologiske signatur. De er låst i et tovtrækkeri«.

Holdet fandt til sidst ud af, at zapping af blandinger af luft med elektricitet, som simulerer kemien i den øvre atmosfære, kunne producere berigede niveauer af ¹⁵ N ¹⁵ N som de målte i luftprøver. Blandinger af ren nitrogengas producerede meget lidt berigelse, men blandinger, der nærmer sig blandingen af ​​gasser i Jordens atmosfære, kunne producere et signal, der er endnu højere end det, der blev observeret i luften.

"Indtil videre har vi testet naturlige luftprøver fra jordoverfladen og fra højder på 32 kilometer, samt opløst luft fra lavt havvandsprøver, " sagde han. "Vi har fundet den samme berigelse i dem alle. Vi kan se tovtrækkeriet overalt«.