Природа шепчет свои истории на слабом молекулярном языке, и ученый из Университета Райса Лоуренс Йенг и его коллеги наконец-то могут рассказать одну из этих историй на этой неделе благодаря уникальному инструменту, который позволил им услышать то, что атмосфера говорит редкими молекулами азота.
Янг и его коллеги из Райса, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Мичиганского государственного университета и Университета Нью-Мексико подсчитали редкие молекулы в атмосфере, содержащие только тяжелые изотопы азота, и обнаружили перетягивание каната в планетарном масштабе между жизнью, недра Земли и верхние слои атмосферы, что выражается в атмосферном азоте.
Исследование было опубликовано онлайн на этой неделе в журнале Science Advances.
«Сначала мы не поверили», - сказал Йенг, ведущий автор исследования и доцент кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах в Райс. «Мы потратили около года на то, чтобы убедить себя в точности измерений».
История вращается вокруг азота, ключевого элемента жизни, который составляет более трех четвертей атмосферы Земли. По сравнению с другими ключевыми элементами жизни, такими как кислород, водород и углерод, азот очень стабилен. Два его атома образуют молекулы N2, которые, по оценкам, висят в атмосфере около 10 миллионов лет, прежде чем расщепляться и снова образовываться. Подавляющее большинство азота имеет атомную массу 14. Только около 0,4 процента составляют азот-15, изотоп, который содержит один дополнительный нейтрон. Поскольку азот-15 уже является редким, молекулы N2, содержащие два атома азота-15, которые химики называют 15N15N, являются самыми редкими из всех молекул N2.
Новое исследование показывает, что 15N15N в 20 раз более обогащен в атмосфере Земли, чем это может быть объяснено процессами, происходящими вблизи поверхности Земли.
«Мы думаем, что обогащение 15N15N в основном происходит из-за химии в верхних слоях атмосферы, на высотах, близких к орбите Международной космической станции», - сказал Юнг. «Перетягивание каната возникает из-за того, что жизнь тянет в другом направлении, и мы можем видеть химические доказательства этого».
Соавтор Эдвард Янг, профессор наук о Земле, планетах и космосе в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, сказал: «Обогащение 15N15N в атмосфере Земли отражает баланс между химией азота, которая возникает в атмосфере, на поверхности из-за жизни и внутри самой планеты. Это сигнатура, уникальная для Земли, но она также дает нам представление о том, как могут выглядеть сигнатуры других планет, особенно если они способны поддерживать жизнь, какой мы ее знаем».
Химические процессы, в результате которых образуются такие молекулы, как N2, могут изменить вероятность образования «сгустков изотопов», таких как 15N15N. В предыдущей работе Йенг, Янг и их коллеги использовали сгустки изотопов в кислороде для выявления характерных признаков фотосинтеза в растениях и химии озона в атмосфере. Изучение азота началось четыре года назад, когда Йенг, в то время научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, узнал о первом в своем роде масс-спектрометре, который устанавливался в лаборатории Янга.
«В то время ни у кого не было способа надежно определить количество 15N15N, - сказал Йенг, который присоединился к факультету Райс в 2015 году. - Его атомная масса равна 30, такая же, как у оксида азота. оксид обычно подавляет сигнал от 15N15N в масс-спектрометрах."
Разница в массе оксида азота и 15N15N составляет около двух тысячных массы нейтрона. Когда Йенг узнал, что новая машина в лаборатории Янга может различать эту небольшую разницу, он подал заявку на получение гранта от Национального научного фонда (NSF), чтобы точно определить, сколько 15N15N содержится в атмосфере Земли.
«Биологические процессы при циркуляции азота в атмосфере происходят в сотни или тысячи раз быстрее, чем геологические процессы», - сказал Йенг. «Если все идет своим чередом, можно было бы ожидать, что атмосфера будет отражать эти биологические циклы».
Чтобы выяснить, так ли это, соавторы Джошуа Хаслун и Натаниэль Остром из Университета штата Мичиган провели эксперименты с бактериями, потребляющими и производящими N2, чтобы определить их сигнатуры 15N15N.
Эти эксперименты показали, что в воздухе должно быть немного больше 15N15N, чем дали бы случайные пары азота-14 и азота-15 - обогащение примерно 1 часть на 1000, сказал Юнг.
«Было некоторое обогащение в биологических экспериментах, но недостаточное, чтобы объяснить то, что мы обнаружили в атмосфере», - сказал Йенг. «Фактически это означало, что процесс, вызывающий обогащение атмосферы 15N15N, должен бороться с этой биологической сигнатурой. Они заперты в перетягивании каната."
Команда в конце концов обнаружила, что смешение воздуха с электричеством, которое имитирует химию верхних слоев атмосферы, может привести к обогащению уровней 15N15N, как это было измерено в пробах воздуха. Смеси чистого газообразного азота давали очень небольшое обогащение, но смеси, приближающиеся к смеси газов в земной атмосфере, могли давать сигнал даже выше, чем тот, который наблюдался в воздухе.
«До сих пор мы тестировали образцы естественного воздуха с уровня земли и с высоты 32 километра, а также растворенный воздух из образцов мелководной океанской воды», - сказал он. «Мы обнаружили во всех них одно и то же обогащение. Мы повсюду видим перетягивание каната».