Een team van wetenschappers dat een ultramodern UCLA-instrument gebruikt, rapporteert de ontdekking van een "touwtrekken" van leven op planetaire schaal, diepe aarde en de bovenste atmosfeer die wordt uitgedrukt in atmosferische stikstof.

De atmosfeer van de aarde verschilt van de atmosfeer van de meeste andere rotsachtige planeten en manen in ons zonnestelsel doordat ze rijk is aan stikstofgas, of N2; de atmosfeer van de aarde bestaat voor 78 procent uit stikstofgas. Titan, de grootste van de meer dan 60 manen van Saturnus, is het andere lichaam in ons zonnestelsel met een stikstofrijke atmosfeer die lijkt op de onze.

Vergeleken met andere belangrijke elementen van het leven, zoals zuurstof, waterstof en koolstof—moleculaire stikstof is zeer stabiel. Twee stikstofatomen vormen samen N2-moleculen die miljoenen jaren in de atmosfeer blijven.

Het grootste deel van stikstof heeft een atoommassa van 14. Minder dan één procent van stikstof heeft een extra neutron. Terwijl deze zware isotoop, stikstof-15, is zeldzaam, N2-moleculen die twee stikstof-15's bevatten - die chemici 15N15N noemen - zijn de zeldzaamste van alle N2-moleculen.

Het team van wetenschappers mat de hoeveelheid 15N15N in de lucht en ontdekte dat deze zeldzame vorm van stikstofgas veel overvloediger is dan wetenschappers hadden verwacht. De atmosfeer van de aarde bevat ongeveer twee procent meer 15N15N dan kan worden verklaard door geochemische processen die zich nabij het aardoppervlak voordoen.

"Dit overschot was niet eerder bekend omdat niemand het kon meten, " zei senior auteur Edward Young, een UCLA hoogleraar geochemie en kosmochemie. "Met onze unieke Panorama-massaspectrometer kunnen we dit voor het eerst zien. We hebben experimenten uitgevoerd die aantoonden dat de enige manier waarop deze overmaat aan 15N15N kan plaatsvinden, is door zeldzame reacties in de bovenste atmosfeer. Twee procent is een enorme overmaat."

Young zei dat de verrijking van 15N15N in de atmosfeer van de aarde een kenmerk is dat uniek is voor onze planeet. "Maar het geeft ons ook een idee over hoe handtekeningen van andere planeten eruit zouden kunnen zien, vooral als ze in staat zijn om het leven zoals wij dat kennen te ondersteunen."

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"We geloofden de metingen eerst niet, en besteedden er ongeveer een jaar aan om onszelf ervan te overtuigen dat ze juist waren, " zei hoofdauteur Laurence Yeung, een assistent-professor van de aarde, milieu- en planetaire wetenschappen aan de Rice University.

De studie begon vier jaar geleden toen Yeung, vervolgens een UCLA-postdoctoraal wetenschapper in het laboratorium van Young, hoorde over de eerste massaspectrometer in zijn soort die in het laboratorium van Young werd geïnstalleerd.

"In die tijd, niemand had een manier om 15N15N betrouwbaar te kwantificeren, " zei Yeung, die in 2015 aan de faculteit van Rice toetrad. "Het heeft een atoommassa van 30, hetzelfde als stikstofmonoxide. Het signaal van stikstofmonoxide overweldigt meestal het signaal van 15N15N in massaspectrometers."

Het verschil in massa tussen stikstofmonoxide en 15N15N is ongeveer tweeduizendste van de massa van een neutron. Toen Yeung hoorde dat de nieuwe machine in Youngs laboratorium dit kleine verschil kon onderscheiden, hij vroeg subsidie ​​aan bij de National Science Foundation om precies te weten hoeveel 15N15N zich in de atmosfeer van de aarde bevindt.

Co-auteurs Joshua Haslun en Nathaniel Ostrom van de Michigan State University voerden experimenten uit met N2-consumerende en N2-producerende bacteriën waarmee het team hun 15N15N-handtekeningen kon bepalen.

Deze experimenten suggereerden dat men iets meer 15N15N in lucht zou moeten zien dan willekeurige combinaties van stikstof-14 en stikstof-15 zouden opleveren - een verrijking van ongeveer 1 deel per 1, 000, zei Yeung.

"Er was een beetje verrijking in de biologische experimenten, maar lang niet genoeg om te verklaren wat we in de atmosfeer hadden gevonden, "Zei Yeung. "In feite, het betekende dat het proces dat de atmosferische 15N15N-verrijking veroorzaakt, moet vechten tegen deze biologische handtekening. Ze zijn opgesloten in een touwtrekwedstrijd."

Het team ontdekte dat het zappen van mengsels van lucht met elektriciteit, die de chemie van de bovenste atmosfeer simuleert, zou verrijkte niveaus van 15N15N kunnen produceren zoals gemeten in luchtmonsters.

De onderzoekers testten luchtmonsters vanaf de grond en vanaf een hoogte van ongeveer 20 mijl, evenals opgeloste lucht uit ondiepe oceaanwatermonsters.

"We denken dat de 15N15N-verrijking fundamenteel afkomstig is van chemie in de bovenste atmosfeer, op hoogten dicht bij de baan van het internationale ruimtestation, "Zei Yeung. "Het touwtrekken komt van het leven dat de andere kant op trekt, en we kunnen daar chemisch bewijs van zien. We zien het touwtrekken overal."

Co-auteurs zijn Issaku Kohl en Edwin Schauble van UCLA; Huanting Hu van rijst; Shunde Li, voorheen van UCLA en Rice en nu met Peking University in Peking; en Tobias Fischer van de Universiteit van New Mexico.