De natuur fluistert haar verhalen in een zwakke moleculaire taal, en Rice University-wetenschapper Laurence Yeung en collega's kunnen deze week eindelijk een van die verhalen vertellen, dankzij een uniek instrument waarmee ze konden horen wat de atmosfeer zegt met zeldzame stikstofmoleculen.

Yeung en collega's bij Rice, UCLA, Michigan State University en de Universiteit van New Mexico telden zeldzame moleculen in de atmosfeer die alleen zware isotopen van stikstof bevatten en ontdekten een touwtrekken op planetaire schaal tussen leven, de diepe aarde en de bovenste atmosfeer die wordt uitgedrukt in atmosferische stikstof.

Het onderzoek is deze week online gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"We geloofden het eerst niet, " zei Yeung, de hoofdauteur van de studie en een assistent-professor van de aarde, milieu- en planetaire wetenschappen bij Rice. "We hebben er ongeveer een jaar over gedaan om onszelf ervan te overtuigen dat de metingen nauwkeurig waren."

Het verhaal draait om stikstof, een sleutelelement van het leven dat meer dan driekwart van de atmosfeer van de aarde uitmaakt. Vergeleken met andere belangrijke elementen van het leven, zoals zuurstof, waterstof en koolstof, stikstof is zeer stabiel. Twee atomen ervan vormen N2-moleculen die naar schatting ongeveer 10 miljoen jaar in de atmosfeer rondhangen voordat ze uit elkaar worden gehaald en opnieuw worden gevormd. En de overgrote meerderheid van stikstof heeft een atoommassa van 14. Slechts ongeveer 0,4 procent is stikstof-15, een isotoop die één extra neutron bevat. Omdat stikstof-15 al zeldzaam is, N2-moleculen die twee stikstof-15's bevatten - die chemici noemen: ¹⁵ N ¹⁵ N—zijn de zeldzaamste van allemaal N ₂ moleculen.

De nieuwe studie toont aan dat ¹⁵ N ¹⁵ N is 20 keer meer verrijkt in de atmosfeer van de aarde dan kan worden verklaard door processen die plaatsvinden in de buurt van het aardoppervlak.

"We denken dat de ¹⁵ N ¹⁵ N-verrijking komt fundamenteel uit de 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."

Co-auteur Edward Young, hoogleraar aarde, planetaire en ruimtewetenschappen aan de UCLA, zei, "De verrijking van ¹⁵ N ¹⁵ N in de atmosfeer van de aarde weerspiegelt een evenwicht tussen de stikstofchemie die in de atmosfeer voorkomt, aan de oppervlakte als gevolg van het leven en in de planeet zelf. Het is een handtekening die uniek is voor de aarde, 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."

De chemische processen die moleculen zoals N2 produceren, kunnen de kans veranderen dat "isotoop klontert" zoals: ¹⁵ N ¹⁵ N wordt gevormd. In eerder werk, Yeung, Young en collega's gebruikten isotoopklonten in zuurstof om kenmerkende kenmerken van fotosynthese in planten en ozonchemie in de atmosfeer te identificeren. De stikstofstudie begon vier jaar geleden toen Yeung, vervolgens een postdoctoraal onderzoeker aan de UCLA, hoorde over een eerste-van-zijn-soort massaspectrometer die werd geïnstalleerd in Young's lab.

"In die tijd, niemand had een manier om betrouwbaar te kwantificeren ¹⁵ N ¹⁵ N, " 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 ¹⁵ N ¹⁵ N in massaspectrometers."

Het verschil in massa tussen stikstofmonoxide en ¹⁵ N ¹⁵ N is ongeveer twee duizendste van de massa van een neutron. Toen Yeung hoorde dat de nieuwe machine in Young's lab dit kleine verschil kon onderscheiden, hij vroeg subsidie ​​aan bij de National Science Foundation (NSF) om precies te onderzoeken hoeveel ¹⁵ N ¹⁵ N bevond zich in de atmosfeer van de aarde.

"Biologische processen zijn honderden tot duizend keer sneller in het circuleren van stikstof door de atmosfeer dan geologische processen, "Zei Yeung. "Als het allemaal gewoon doorgaat, men zou verwachten dat de atmosfeer deze biologische cycli zou weerspiegelen."

Om erachter te komen of dit het geval was, co-auteurs Joshua Haslun en Nathaniel Ostrom van de Michigan State University hebben experimenten uitgevoerd met N2-consumerende en N2-producerende bacteriën om hun ¹⁵ N ¹⁵ N handtekeningen.

Deze experimenten suggereerden dat je wat meer zou moeten zien ¹⁵ N ¹⁵ N in lucht dan willekeurige combinaties van stikstof-14 en stikstof-15 zouden produceren - 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 ¹⁵ N ¹⁵ N-verrijking moet deze biologische signatuur bestrijden. Ze zijn opgesloten in een touwtrekwedstrijd."

Het team ontdekte uiteindelijk dat het zappen van mengsels van lucht met elektriciteit, die de chemie van de bovenste atmosfeer simuleert, zou verrijkte niveaus van kunnen produceren ¹⁵ N ¹⁵ N zoals ze gemeten in luchtmonsters. Mengsels van zuiver stikstofgas produceerden zeer weinig verrijking, maar mengsels die de mix van gassen in de atmosfeer van de aarde benaderen, zouden een signaal kunnen produceren dat zelfs hoger is dan wat werd waargenomen in lucht.

"Tot nu toe hebben we natuurlijke luchtmonsters getest vanaf de grond en vanaf een hoogte van 32 kilometer, evenals opgeloste lucht uit ondiepe oceaanwatermonsters, ' zei hij. 'We hebben in allemaal dezelfde verrijking gevonden. We zien het touwtrekken overal."