La naturaleza susurra sus historias en un débil lenguaje molecular, y el científico de la Universidad 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 lo que dice la atmósfera con moléculas de nitrógeno raras.

Yeung y 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 y la atmósfera superior que se expresa en nitrógeno atmosférico.

La investigación se publicó en línea esta semana en la revista Avances de la ciencia .

"No lo creímos al principio, "dijo Yeung, el autor principal del estudio y profesor asistente de la Tierra, ciencias ambientales y planetarias en Rice. "Pasamos alrededor de 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 terrestre. En comparación con otros elementos clave de la vida como el oxígeno, hidrógeno y carbono, el nitrógeno es muy estable. Dos átomos de él forman moléculas de N2 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 neutrón extra. Debido a que el nitrógeno-15 ya es escaso, Moléculas de N2 que contienen dos nitrógeno-15, que los químicos denominan ¹⁵ norte ¹⁵ N:son las más raras de todas las N ₂ moléculas.

El nuevo estudio muestra que ¹⁵ norte ¹⁵ El N está 20 veces más enriquecido en la atmósfera de la Tierra de lo que pueden explicar los procesos que ocurren cerca de la superficie de la Tierra.

"Creemos que el ¹⁵ norte ¹⁵ El enriquecimiento de N 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, y podemos ver evidencia química de eso ".

Coautor Edward Young, profesor de la tierra, ciencias planetarias y espaciales en UCLA, dijo, "El enriquecimiento de ¹⁵ norte ¹⁵ El N en la atmósfera terrestre refleja un equilibrio entre la química del nitrógeno que se produce en la atmósfera, en la superficie debido a la vida y dentro del planeta mismo. Es una firma única en 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 "aglomeraciones de isótopos" como ¹⁵ norte ¹⁵ Se formará N. En trabajos anteriores, Yeung, Young y sus colegas utilizaron grupos de isótopos en oxígeno para identificar firmas reveladoras de la fotosíntesis en las plantas y la química del ozono en la atmósfera. El estudio del nitrógeno comenzó hace cuatro años cuando Yeung, luego investigador postdoctoral en UCLA, se enteró de un espectrómetro de masas único en su tipo que se estaba instalando en el laboratorio de Young.

"En ese tiempo, nadie tenía una forma de cuantificar de manera confiable ¹⁵ norte ¹⁵ NORTE, "dijo Yeung, que 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 suele abrumar a la señal de ¹⁵ norte ¹⁵ N en espectrómetros de masas ".

La diferencia de masa entre el óxido nítrico y ¹⁵ norte ¹⁵ N 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 una subvención de la National Science Foundation (NSF) para explorar exactamente cuánto ¹⁵ norte ¹⁵ N estaba en la atmósfera de la Tierra.

"Los procesos biológicos son cientos o mil veces más rápidos en el ciclo del nitrógeno a través de la atmósfera que los procesos geológicos, "Dijo Yeung." Si todo sigue como de costumbre, uno esperaría que la atmósfera reflejara estos ciclos biológicos ".

Para saber si este fue el caso, Los coautores Joshua Haslun y Nathaniel Ostrom de la Universidad Estatal de Michigan llevaron a cabo experimentos con bacterias productoras y consumidoras de N2 para determinar su ¹⁵ norte ¹⁵ N firmas.

Estos experimentos sugirieron que uno debería ver un poco más ¹⁵ norte ¹⁵ N 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 para dar cuenta de lo que habíamos encontrado en la atmósfera, "Dijo Yeung." De hecho, Significaba que el proceso que causaba la atmósfera ¹⁵ norte ¹⁵ El enriquecimiento de N tiene que luchar contra esta firma biológica. Están atrapados en un tira y afloja ".

El equipo finalmente descubrió que eliminar mezclas de aire con electricidad, que simula la química de la atmósfera superior, podría producir niveles enriquecidos de ¹⁵ norte ¹⁵ N como se miden en muestras de aire. Las mezclas de gas nitrógeno puro produjeron muy poco enriquecimiento, pero mezclas que se aproximen a la mezcla de gases en la atmósfera de la Tierra podrían producir una señal incluso más alta que la observada en el aire.

"Hasta ahora hemos probado muestras de aire natural del nivel del suelo y de altitudes de 32 kilómetros, así como el aire disuelto de muestras de agua oceánica poco profunda, ", dijo." Hemos encontrado el mismo enriquecimiento en todos ellos. Podemos ver el tira y afloja en todas partes ".