Un team di scienziati che utilizza uno strumento UCLA all'avanguardia segnala la scoperta di un "tiro alla fune" di vita su scala planetaria, la Terra profonda e l'atmosfera superiore che si esprime in azoto atmosferico.

L'atmosfera della Terra differisce dalle atmosfere della maggior parte degli altri pianeti rocciosi e lune del nostro sistema solare in quanto è ricca di gas azoto, o N2; l'atmosfera terrestre è costituita per il 78% da azoto. Titano, la più grande delle oltre 60 lune di Saturno, è l'altro corpo del nostro sistema solare con un'atmosfera ricca di azoto che assomiglia alla nostra.

Rispetto ad altri elementi chiave della vita, come l'ossigeno, idrogeno e carbonio:l'azoto molecolare è molto stabile. Due atomi di azoto si combinano per formare molecole di N2 che rimangono nell'atmosfera per milioni di anni.

La maggior parte dell'azoto ha una massa atomica di 14. Meno dell'1% dell'azoto ha un neutrone in più. Mentre questo isotopo pesante, azoto-15, è raro, Le molecole di N2 che contengono due azoto-15, che i chimici chiamano 15N15N, sono le più rare di tutte le molecole di N2.

Il team di scienziati ha misurato la quantità di 15N15N nell'aria e ha scoperto che questa rara forma di azoto è molto più abbondante di quanto gli scienziati si aspettassero. L'atmosfera terrestre contiene circa il due percento in più di 15N15N di quanto possa essere spiegato dai processi geochimici che si verificano vicino alla superficie terrestre.

"Questo eccesso non era noto prima perché nessuno poteva misurarlo, " ha detto l'autore senior Edward Young, un professore UCLA di geochimica e cosmochimica. "Il nostro spettrometro di massa Panorama, unico nel suo genere, ci consente di vederlo per la prima volta. Abbiamo condotto esperimenti che dimostrano che l'unico modo in cui si verifica questo eccesso di 15N15N è attraverso rare reazioni nell'alta atmosfera. Il due percento è un enorme eccesso».

Young ha affermato che l'arricchimento di 15N15N nell'atmosfera terrestre è una firma unica per il nostro pianeta. "Ma ci dà anche un indizio su come potrebbero essere le firme di altri pianeti, soprattutto se sono in grado di sostenere la vita come la conosciamo".

La ricerca è pubblicata sulla rivista Progressi scientifici .

"All'inizio non credevamo alle misurazioni, e abbiamo passato circa un anno a convincerci che erano accurati, " ha detto l'autore principale Laurence Yeung, un assistente professore di Terra, scienze ambientali e planetarie alla Rice University.

Lo studio è iniziato quattro anni fa quando Yeung, poi borsista post-dottorato dell'UCLA nel laboratorio di Young, appreso dello spettrometro di massa unico nel suo genere che veniva installato nel laboratorio di Young.

"A quel tempo, nessuno aveva modo di quantificare in modo affidabile 15N15N, " ha detto Yeung, che si è unito alla facoltà di Rice nel 2015. "Ha una massa atomica di 30, come l'ossido nitrico. Il segnale dell'ossido nitrico di solito supera il segnale del 15N15N negli spettrometri di massa".

La differenza di massa tra l'ossido nitrico e il 15N15N è circa due millesimi della massa di un neutrone. Quando Yeung seppe che la nuova macchina nel laboratorio di Young poteva discernere questa leggera differenza, ha chiesto un finanziamento alla National Science Foundation per sapere esattamente quanto 15N15N c'è nell'atmosfera terrestre.

I coautori Joshua Haslun e Nathaniel Ostrom della Michigan State University hanno condotto esperimenti sui batteri che consumano e producono N2 che hanno permesso al team di determinare le loro firme 15N15N.

Questi esperimenti hanno suggerito che si dovrebbe vedere un po' più di 15N15N nell'aria rispetto a quanto prodotto da accoppiamenti casuali di azoto-14 e azoto-15:un arricchimento di circa 1 parte per 1, 000, ha detto Yeung.

"C'è stato un po' di arricchimento negli esperimenti biologici, ma non abbastanza da spiegare quello che abbiamo trovato nell'atmosfera, " Yeung ha detto. "In effetti, significava che il processo che causa l'arricchimento atmosferico di 15N15N deve combattere contro questa firma biologica. Sono bloccati in un tiro alla fune."

Il team ha scoperto che lo zapping di miscele di aria con elettricità, che simula la chimica dell'alta atmosfera, potrebbero produrre livelli arricchiti di 15N15N come misurati in campioni di aria.

I ricercatori hanno testato campioni d'aria dal livello del suolo e da un'altitudine di circa 20 miglia, così come aria disciolta da campioni di acque oceaniche poco profonde.

"Pensiamo che l'arricchimento del 15N15N provenga fondamentalmente dalla chimica nell'alta atmosfera, ad altitudini prossime all'orbita della Stazione Spaziale Internazionale, " Yeung ha detto. "Il tiro alla fune viene dalla vita che tira nella direzione opposta, e possiamo vedere prove chimiche di ciò. Possiamo vedere il tiro alla fune ovunque".

I coautori sono Issaku Kohl e Edwin Schauble dell'UCLA; Huanting Hu di riso; Shuning Li, ex UCLA e Rice e ora con l'Università di Pechino a Pechino; e Tobias Fischer dell'Università del New Mexico.