Hvordan svovl hjalp med at gøre Jorden beboelig før iltstigningen

Kortlægning af bindinger og vibrationstilstande af molekyler, der indeholder svovlisotoper, er med til at kaste lys over de kemiske reaktioner, der fandt sted i Jordens atmosfære under den arkæiske æra, før atmosfæren blev iltet for omkring 2,5 milliarder år siden.

Archean er en geologisk eon, der varede fra 4 milliarder år til 2,5 milliarder år siden. Det så fremkomsten af ​​det første liv på Jorden, men disse mikrober var anaerobe, hvilket betyder, at de ikke indåndede ilt. Faktisk, i denne tid, Jordens atmosfære indeholdt ikke noget molekylært oxygen. I stedet, atmosfæren var rig på kulstof og, især, svovl.

Svovlen i den arkæiske jords atmosfære blev udsendt af vulkansk aktivitet, og gennem en proces kaldet masseuafhængig fraktionering, svovls forskellige isotoper (svovlatomer indeholdende det samme antal protoner, men forskelligt antal neutroner) blev beriget på en måde, der ikke korrelerer med deres masse. Beviser for, at dette skete, findes i overfladeaflejringer, der går tilbage til det arkæiske område, og det var disse svovlisotoper, som en del af molekyler såsom hydrogensulfid (H ₂ S) og svovldioxid (SO ₂ ), hvilke mikrober metaboliserede, frigivelse af ilt i processen og påbegyndelse af processen med iltning af Jordens atmosfære - en udvikling, der omtales som den store iltningsbegivenhed.

Fordi svovl hurtigt oxideres i et iltrigt miljø, og derefter fjernet fra atmosfæren ved nedbør og afstrømning i havet, svovlkemien i det tidlige arkæiske liv blev udfaset og tabt til tiden. Imidlertid, ved at forstå den masseuafhængige fraktioneringsproces, det burde være muligt at lære mere om atmosfæren på den præ-iltede Jord og de forhold, som det første liv på Jorden levede under.

Processen bag den masseuafhængige fraktionering af svovl er fortsat usikker, men de to mest populære hypoteser er enten fotolyse (nedbrydning af molekyler) af ultraviolet lys fra Solen, eller reaktioner mellem elementært svovl. "Imidlertid, det faktiske fænomen, reaktion eller mekanisme skal stadig identificeres, " siger Dmitri Babikov, professor i fysisk kemi og molekylær fysik ved Marquette University i Milwaukee, Wisconsin.

Svovls molekylære bindinger

Babikov, sammen med sine Marquette-kolleger Igor Gayday og Alexander Teplukhin, har udgivet en ny artikel i tidsskriftet Molekylær fysik der udforsker nogle af de molekylære bindinger af en svovl-4 (S ₄ ) molekyle, og hvordan disse bindinger påvirker molekylets vibrationstilstande, hvilket igen kan påvirke den masseuafhængige fraktioneringsproces.

De identificerede et andet, tidligere ukendt, bånd, der forbinder S ₂ molekyler (indeholdende to svovlatomer) for at danne S ₄ . "Denne anden binding holder molekylet fast i et [trapezformet] arrangement og tillader ikke let rotation af de to S ₂ molekyler i S ₄ , " siger Babikov. Til gengæld, dette arrangement af svovlatomer bestemmer derefter, hvordan de bevæger sig som S ₄ molekyle vibrerer.

Vibrationstilstande, eller frekvenser, af S ₄ molekyle bestemmes af både formen af ​​molekylets 'potentielle energioverflade, "som beskriver energien af ​​isotoper i trapezarrangementet af S4-molekylet, og hvordan kemiske reaktioner ændrer den potentielle energi i dette system. Ikke kun antallet af vibrationstilstande, involverer strækning og kompression af bindingerne mellem S ₂ molekyler, har betydning for reaktionshastigheden, men de kan også være følsomme over for en given isotop, som kunne hjælpe med at identificere den kemiske reaktion bag masseuafhængig fraktionering. "Men på dette tidspunkt er dette stadig en hypotese, " siger Babikov.

En bedre forståelse af rollen af ​​masseuafhængig fraktionering i svovlkemien af ​​den arkæiske jord giver os ikke kun et billede af miljøet på Jorden før iltning, men det fortæller os også om de potentielle biosignaturer et lignende miljø på en exoplanet kunne skabe.

"[Svovlisotoper] kunne potentielt tjene som en signatur for det miljø, der skabte liv på Jorden, " siger Babikov. Men han siger, vores nuværende niveau af teleskopteknologi betyder, at det ville være meget vanskeligt at bestemme den isotopiske sammensætning af en exoplanets atmosfære til det nødvendige detaljeringsniveau.

Studiet, "Beregningsmæssig analyse af vibrationstilstande i tetra-svovl ved hjælp af dimensionelt reduceret potentiel energioverflade, " blev offentliggjort i tidsskriftet Molekylær fysik . Arbejdet blev delvist støttet af NASAAstrobiology gennem Exobiology Program.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASAs Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.