La naturaleza susurra sus historias en un débil lenguaje molecular, y el científico de la Universidad de Rice Laurence Yeung y sus colegas finalmente pueden contar una de esas historias esta semana, gracias a un instrumento único en su tipo que les permitió escuchar qué es la atmósferadiciendo con moléculas de nitrógeno raras.
Yeung y sus colegas de Rice, UCLA, la Universidad Estatal de Michigan y la Universidad de Nuevo México contaron moléculas raras en la atmósfera que contienen solo isótopos pesados de nitrógeno y descubrieron un tira y afloja a escala planetaria entre la vida, la Tierra profunda yLa atmósfera superior que se expresa en nitrógeno atmosférico.
La investigación fue publicada en línea esta semana en la revista Avances científicos .
"Al principio no lo creíamos", dijo Yeung, autor principal del estudio y profesor asistente de ciencias de la Tierra, el medio ambiente y el planeta en Rice. "Pasamos aproximadamente un año convenciéndonos de que las mediciones eran precisas"
La historia gira en torno al nitrógeno, un elemento clave de la vida que constituye más de las tres cuartas partes de la atmósfera de la Tierra. En comparación con otros elementos clave de la vida como el oxígeno, el hidrógeno y el carbono, el nitrógeno es muy estable. Dos átomos de él forman N2moléculas que se estima que permanecen en la atmósfera durante unos 10 millones de años antes de romperse y reformarse, y la gran mayoría del nitrógeno tiene una masa atómica de 14. Solo alrededor del 0.4 por ciento son nitrógeno-15, un isótopo que contiene un extraneutrón. Debido a que el nitrógeno-15 ya es raro, las moléculas de N2 que contienen dos nitrógeno-15, que los químicos llaman 15N15N, son las más raras de todas las moléculas de N2.
El nuevo estudio muestra que 15N15N está 20 veces más enriquecido en la atmósfera de la Tierra de lo que puede explicarse por los procesos que ocurren cerca de la superficie de la Tierra.
"Creemos que el enriquecimiento 15N15N proviene fundamentalmente de la química en la atmósfera superior, en altitudes cercanas a la órbita de la Estación Espacial Internacional", dijo Yeung. "El tira y afloja viene de la vida tirando en la otra dirección, ypodemos ver evidencia química de eso "
El coautor Edward Young, profesor de ciencias de la Tierra, planetarias y espaciales en la UCLA, dijo: "El enriquecimiento de 15N15N en la atmósfera de la Tierra refleja un equilibrio entre la química del nitrógeno que se produce en la atmósfera, en la superficie debido a la vida y al interiorel planeta en sí. Es una firma exclusiva de la Tierra, pero también nos da una pista sobre cómo se verían las firmas de otros planetas, especialmente si son capaces de soportar la vida tal como la conocemos ".
Los procesos químicos que producen moléculas como N2 pueden cambiar las probabilidades de que se formen "grupos de isótopos" como 15N15N. En trabajos anteriores, Yeung, Young y sus colegas utilizaron grupos de isótopos en oxígeno para identificar firmas reveladoras de fotosíntesis en plantas y plantas.química del ozono en la atmósfera. El estudio del nitrógeno comenzó hace cuatro años cuando Yeung, entonces investigador postdoctoral en UCLA, se enteró de un espectrómetro de masas primero en su clase que se estaba instalando en el laboratorio de Young.
"En ese momento, nadie tenía una manera de cuantificar de manera confiable 15N15N", dijo Yeung, quien se unió a la facultad de Rice en 2015. "Tiene una masa atómica de 30, lo mismo que el óxido nítrico. La señal del óxido nítrico generalmente es abrumadora".la señal de 15N15N en espectrómetros de masas "
La diferencia en masa entre el óxido nítrico y el 15N15N es aproximadamente dos milésimas de la masa de un neutrón. Cuando Yeung se enteró de que la nueva máquina en el laboratorio de Young podía discernir esta ligera diferencia, solicitó fondos de la National Science Foundation NSF para explorar exactamente cuánto 15N15N había en la atmósfera de la Tierra.
"Los procesos biológicos son de cientos a mil veces más rápidos en el ciclo del nitrógeno a través de la atmósfera que los procesos geológicos", dijo Yeung. "Si todo funciona como siempre, uno esperaría que la atmósfera refleje estos ciclos biológicos".
Para averiguar si este era el caso, los coautores Joshua Haslun y Nathaniel Ostrom de la Universidad Estatal de Michigan realizaron experimentos con bacterias que consumen y producen N2 para determinar sus firmas 15N15N.
Estos experimentos sugirieron que uno debería ver un poco más de 15N15N en el aire de lo que producirían los pares aleatorios de nitrógeno-14 y nitrógeno-15, un enriquecimiento de aproximadamente 1 parte por 1,000, dijo Yeung.
"Hubo un poco de enriquecimiento en los experimentos biológicos, pero no lo suficiente como para dar cuenta de lo que habíamos encontrado en la atmósfera", dijo Yeung. "De hecho, significa que el proceso que causa el enriquecimiento atmosférico 15N15N tiene queluchar contra esta firma biológica. Están encerrados en un tira y afloja "
El equipo finalmente descubrió que las mezclas de aire con electricidad, que simulan la química de la atmósfera superior, podrían producir niveles enriquecidos de 15N15N como se midieron en muestras de aire. Las mezclas de gas nitrógeno puro produjeron muy poco enriquecimiento, pero las mezclas se aproximaron alLa mezcla de gases en la atmósfera de la Tierra podría producir una señal incluso más alta que la observada en el aire.
"Hasta ahora hemos analizado muestras de aire natural desde el nivel del suelo y desde altitudes de 32 kilómetros, así como también aire disuelto de muestras de aguas oceánicas poco profundas", dijo. "Hemos encontrado el mismo enriquecimiento en todas ellas.Podemos ver el tira y afloja en todas partes "
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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