La natura sussurra le sue storie in un tenue linguaggio molecolare, e lo scienziato della Rice University Laurence Yeung e colleghi possono finalmente raccontare una di quelle storie questa settimana, grazie a uno strumento unico nel suo genere che ha permesso loro di sentire cosa dice l'atmosfera con rare molecole di azoto.

Yeung e colleghi di Rice, UCLA, La Michigan State University e l'Università del New Mexico hanno contato rare molecole nell'atmosfera che contengono solo isotopi pesanti di azoto e hanno scoperto un tiro alla fune su scala planetaria tra la vita, la Terra profonda e l'atmosfera superiore che si esprime in azoto atmosferico.

La ricerca è stata pubblicata online questa settimana sulla rivista Progressi scientifici .

"All'inizio non ci credevamo, " ha detto Yeung, l'autore principale dello studio e un assistente professore di Terra, scienze ambientali e planetarie alla Rice. "Abbiamo trascorso circa un anno a convincerci che le misurazioni fossero accurate".

La storia ruota intorno all'azoto, un elemento chiave della vita che costituisce più di tre quarti dell'atmosfera terrestre. Rispetto ad altri elementi chiave della vita come l'ossigeno, idrogeno e carbonio, l'azoto è molto stabile. Due atomi di esso formano molecole di N2 che si stima restino nell'atmosfera per circa 10 milioni di anni prima di essere frantumate e riformate. E la stragrande maggioranza dell'azoto ha una massa atomica di 14. Solo lo 0,4 percento circa sono azoto-15, un isotopo che contiene un neutrone in più. Poiché l'azoto-15 è già raro, Molecole di N2 che contengono due azoto-15, che i chimici chiamano ¹⁵ n ¹⁵ N—sono i più rari di tutti N ₂ molecole.

Il nuovo studio mostra che ¹⁵ n ¹⁵ N è 20 volte più ricco nell'atmosfera terrestre di quanto possa essere spiegato dai processi che avvengono vicino alla superficie terrestre.

"Pensiamo che ¹⁵ n ¹⁵ L'arricchimento di N deriva 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."

Co-autore Edward Young, professore di Terra, scienze planetarie e spaziali all'UCLA, disse, "L'arricchimento di ¹⁵ n ¹⁵ N nell'atmosfera terrestre riflette un equilibrio tra la chimica dell'azoto che si verifica nell'atmosfera, in superficie a causa della vita e all'interno del pianeta stesso. È una firma unica sulla Terra, 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".

I processi chimici che producono molecole come N2 possono cambiare le probabilità che "l'isotopo si aggrega" come ¹⁵ n ¹⁵ N sarà formato. Nei lavori precedenti, Yeung, Young e colleghi hanno usato grumi di isotopi nell'ossigeno per identificare le firme rivelatrici della fotosintesi nelle piante e della chimica dell'ozono nell'atmosfera. Lo studio sull'azoto è iniziato quattro anni fa quando Yeung, poi un ricercatore post-dottorato presso l'UCLA, appreso di uno 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 ¹⁵ n ¹⁵ N, " 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 sovrasta il segnale di ¹⁵ n ¹⁵ N negli spettrometri di massa."

La differenza di massa tra ossido nitrico e ¹⁵ n ¹⁵ N è circa due millesimi della massa di un neutrone. Quando Yeung ha appreso che la nuova macchina nel laboratorio di Young poteva distinguere questa leggera differenza, ha chiesto un finanziamento alla National Science Foundation (NSF) per esplorare esattamente quanto ¹⁵ n ¹⁵ N era nell'atmosfera terrestre.

"I processi biologici sono da centinaia a mille volte più veloci nel far circolare l'azoto attraverso l'atmosfera rispetto ai processi geologici, " disse Yeung. "Se è tutto come al solito, ci si aspetterebbe che l'atmosfera rifletta questi cicli biologici".

Per sapere se era così, i co-autori Joshua Haslun e Nathaniel Ostrom della Michigan State University hanno condotto esperimenti sui batteri che consumano e producono N2 per determinare la loro ¹⁵ n ¹⁵ N firme.

Questi esperimenti hanno suggerito che si dovrebbe vedere un po' di più ¹⁵ n ¹⁵ N nell'aria di quanto non produrrebbero 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 causava l'atmosfera ¹⁵ n ¹⁵ L'arricchimento di N deve combattere contro questa firma biologica. Sono bloccati in un tiro alla fune."

Il team alla fine ha scoperto che lo zapping di miscele di aria con elettricità, che simula la chimica dell'alta atmosfera, potrebbe produrre livelli arricchiti di ¹⁵ n ¹⁵ N come hanno misurato in campioni d'aria. Miscele di gas azoto puro hanno prodotto un arricchimento molto ridotto, ma miscele che si avvicinano alla miscela di gas nell'atmosfera terrestre potrebbero produrre un segnale anche più alto di quello osservato nell'aria.

"Finora abbiamo testato campioni di aria naturale dal livello del suolo e da un'altitudine di 32 chilometri, così come aria disciolta da campioni di acque oceaniche poco profonde, " ha detto. "Abbiamo trovato lo stesso arricchimento in tutti loro. Possiamo vedere il tiro alla fune ovunque".