La chimica dello zolfo era vitale per la prima vita anaerobica nell'Eone Archeano, oltre 2,5 miliardi di anni fa. CREDITO IMMAGINE:PETER SAWYER/ISTITUZIONE SMITHSONIAN.
La mappatura dei legami e dei modi vibrazionali delle molecole contenenti isotopi di zolfo sta aiutando a far luce sulle reazioni chimiche che hanno avuto luogo nell'atmosfera terrestre durante l'era Archean, prima che l'atmosfera si ossigenasse circa 2,5 miliardi di anni fa.
L'Archeano è un eone geologico che è durato da 4 miliardi di anni a 2,5 miliardi di anni fa. Ha visto l'emergere della prima vita sulla Terra, ma questi microbi erano anaerobi, nel senso che non respiravano ossigeno. Infatti, durante questo periodo, L'atmosfera terrestre non conteneva ossigeno molecolare. Anziché, l'atmosfera era ricca di carbonio e, particolarmente, zolfo.
Lo zolfo nell'atmosfera terrestre dell'Archeano è stato emesso dall'attività vulcanica, e attraverso un processo chiamato frazionamento indipendente dalla massa, i vari isotopi di zolfo (atomi di zolfo contenenti lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni) si sono arricchiti in un modo che non è correlato alla loro massa. La prova che ciò sia avvenuto si trova in depositi superficiali risalenti all'Archeano, ed erano questi isotopi di zolfo, come parte di molecole come l'idrogeno solforato (H 2 S) e anidride solforosa (SO 2 ), che i microbi hanno metabolizzato, rilasciando ossigeno nel processo e iniziando il processo di ossigenazione dell'atmosfera terrestre, uno sviluppo denominato Grande Evento di Ossigenazione.
Poiché lo zolfo si ossida rapidamente in un ambiente ricco di ossigeno, e poi rimosso dall'atmosfera per precipitazione e deflusso nell'oceano, la chimica dello zolfo dei primi Archeani fu gradualmente eliminata e persa nel tempo. Però, comprendendo il processo di frazionamento indipendente dalla massa, dovrebbe essere possibile conoscere meglio l'atmosfera della Terra preossigenata e le condizioni in cui visse la prima vita sulla Terra.
Il processo alla base del frazionamento indipendente dalla massa dello zolfo rimane incerto, ma le due ipotesi più popolari sono o la fotolisi (la rottura delle molecole) da parte della luce ultravioletta del Sole, o reazioni tra zolfo elementare. "Però, il fenomeno reale, reazione o meccanismo è ancora da identificare, "dice Dmitri Babikov, Professore di Chimica Fisica e Fisica Molecolare alla Marquette University di Milwaukee, Wisconsin.
estremofili, come i termofili che danno alle stuoie microbiche colori così vividi nelle sorgenti termali del Parco Nazionale di Yellowstone, sono un tema caldo di studio tra gli astrobiologi nel Regno Unito. CREDITO IMMAGINE:JIM PEACO/SERVIZIO PARCO NAZIONALE.
Legami molecolari dello zolfo
Babikov, insieme ai suoi colleghi Marquette Igor Gayday e Alexander Teplukhin, hanno pubblicato un nuovo articolo sulla rivista Fisica Molecolare che esplora alcuni dei legami molecolari di uno zolfo-4 (S 4 ) molecola, e come questi legami influenzano i modi vibrazionali della molecola, che a sua volta può influenzare il processo di frazionamento indipendente dalla massa.
Hanno identificato un secondo, precedentemente sconosciuto, legame che unisce S 2 molecole (contenenti due atomi di zolfo) per formare S 4 . "Questo secondo legame tiene la molecola stretta in una disposizione [a forma di trapezio] e non consente una facile rotazione dei due S 2 molecole all'interno di S 4 , " dice Babikov. A sua volta, questa disposizione degli atomi di zolfo determina quindi come si muovono come S 4 la molecola vibra
Gli stati vibrazionali, o frequenze, del S 4 molecola sono determinati sia dalla forma della "superficie di energia potenziale" della molecola, " che descrive l'energia degli isotopi nella disposizione trapezoidale della molecola S4, e come le reazioni chimiche cambiano l'energia potenziale di quel sistema. Non solo il numero di modi vibrazionali, coinvolgendo stiramento e compressione dei legami tra il S 2 molecole, influiscono sulla velocità di reazione, ma potrebbero anche essere sensibili a un dato isotopo, che potrebbe aiutare a identificare la reazione chimica dietro il frazionamento indipendente dalla massa. "Ma a questo punto questa è ancora un'ipotesi, "dice Babikov.
Una migliore comprensione del ruolo del frazionamento indipendente dalla massa nella chimica dello zolfo della Terra di Archean non solo ci dà un'immagine dell'ambiente sulla Terra prima dell'ossigenazione, ma ci parla anche delle potenziali biofirme che un ambiente simile su un esopianeta potrebbe creare.
"[Gli isotopi di zolfo] potrebbero potenzialmente servire come firma dell'ambiente che ha creato la vita sulla Terra, " dice Babikov. Tuttavia, lui dice, il nostro attuale livello di tecnologia telescopica significa che sarebbe molto difficile determinare la composizione isotopica dell'atmosfera di un esopianeta al livello di dettaglio richiesto.
Lo studio, "Analisi computazionale dei modi vibrazionali nel tetra-zolfo utilizzando una superficie di energia potenziale dimensionalmente ridotta, " è stato pubblicato sulla rivista Fisica Molecolare . Il lavoro è stato in parte supportato dalla NASAAstrobiology attraverso il Programma Exobiology.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Astrobiology Magazine della NASA. Esplora la Terra e oltre su www.astrobio.net.
