Het in kaart brengen van de bindingen en vibratiemodi van moleculen die zwavelisotopen bevatten, helpt om licht te werpen op de chemische reacties die plaatsvonden in de atmosfeer van de aarde tijdens het Archeïsche tijdperk, voordat de atmosfeer ongeveer 2,5 miljard jaar geleden zuurstofrijk werd.

De Archean is een geologische eon die duurde van 4 miljard jaar tot 2,5 miljard jaar geleden. Het zag de opkomst van het eerste leven op aarde, maar deze microben waren anaëroob, wat betekent dat ze geen zuurstof inademden. In feite, gedurende deze periode, De atmosfeer van de aarde bevatte geen moleculaire zuurstof. In plaats daarvan, de atmosfeer was rijk aan koolstof en, bijzonder, zwavel.

De zwavel in de atmosfeer van de Archeïsche aarde werd uitgestoten door vulkanische activiteit, en via een proces dat massa-onafhankelijke fractionering wordt genoemd, De verschillende isotopen van zwavel (zwavelatomen met hetzelfde aantal protonen maar verschillende aantallen neutronen) werden verrijkt op een manier die niet correleerde met hun massa. Bewijs dat dit gebeurde, is gevonden in oppervlakteafzettingen die dateren uit het Archeïsche tijdperk, en het waren deze zwavelisotopen, als onderdeel van moleculen zoals waterstofsulfide (H ₂ S) en zwaveldioxide (SO ₂ ), welke microben gemetaboliseerd, het vrijkomen van zuurstof in het proces en het begin van het proces van het zuurstofrijk maken van de atmosfeer van de aarde - een ontwikkeling die wordt aangeduid als de Grote Oxygenatie-gebeurtenis.

Omdat zwavel snel oxideert in een zuurstofrijke omgeving, en vervolgens uit de atmosfeer verwijderd door neerslag en afvloeien in de oceaan, de zwavelchemie van het vroege Archeïsche leven werd uitgefaseerd en ging verloren in de tijd. Echter, door het massa-onafhankelijke fractioneringsproces te begrijpen, het zou mogelijk moeten zijn om meer te weten te komen over de atmosfeer van de pre-oxygenated aarde en de omstandigheden waarin het eerste leven op aarde leefde.

Het proces achter de massa-onafhankelijke fractionering van zwavel blijft onzeker, maar de twee meest populaire hypothesen zijn ofwel fotolyse (het uiteenvallen van moleculen) door ultraviolet licht van de zon, of reacties tussen elementaire zwavel. "Echter, het eigenlijke fenomeen, reactie of mechanisme moet nog worden geïdentificeerd, " zegt Dmitri Babikov, een hoogleraar fysische chemie en moleculaire fysica aan de Marquette University in Milwaukee, Wisconsin.

Moleculaire bindingen van zwavel

Babikov, samen met zijn Marquette-collega's Igor Gayday en Alexander Teplukhin, een nieuw artikel in het tijdschrift hebben gepubliceerd Moleculaire fysica dat enkele van de moleculaire bindingen van een zwavel-4 (S ₄ ) molecuul, en hoe deze bindingen de vibratiemodi van het molecuul beïnvloeden, wat op zijn beurt het massa-onafhankelijke fractioneringsproces kan beïnvloeden.

Ze identificeerden een tweede, voorheen onbekend, band die samenkomt S ₂ moleculen (met twee zwavelatomen) om S . te vormen ₄ . "Deze tweede binding houdt het molecuul stevig vast in een [trapeziumvormige] opstelling en laat geen gemakkelijke rotatie van de twee S toe. ₂ moleculen binnen S ₄ , " zegt Babikov. Op zijn beurt, deze rangschikking van zwavelatomen bepaalt vervolgens hoe ze bewegen als de S ₄ molecuul trilt.

De trillingstoestanden, of frequenties, van de S ₄ molecuul worden bepaald door zowel de vorm van het potentiële energieoppervlak van het molecuul, " die de energie van de isotopen in de trapeziumvormige opstelling van het S4-molecuul beschrijft, en hoe chemische reacties de potentiële energie van dat systeem veranderen. Niet alleen het aantal vibratiemodi, waarbij het uitrekken en samendrukken van de bindingen tussen de S ₂ moleculen, invloed hebben op de reactiesnelheid, maar ze kunnen ook gevoelig zijn voor een bepaalde isotoop, die zou kunnen helpen bij het identificeren van de chemische reactie achter massa-onafhankelijke fractionering. "Maar op dit moment is dit nog een hypothese, ' zegt Babikov.

Een beter begrip van de rol van massa-onafhankelijke fractionering in de zwavelchemie van Archean Earth geeft ons niet alleen een beeld van de omgeving op aarde vóór oxygenatie, maar het vertelt ons ook over de mogelijke biosignaturen die een vergelijkbare omgeving op een exoplaneet zou kunnen creëren.

"[Zwavelisotopen] kunnen mogelijk dienen als een kenmerk van de omgeving die het leven op aarde heeft gecreëerd, " zegt Babikov. Echter, hij zegt, ons huidige niveau van telescopische technologie betekent dat het erg moeilijk zou zijn om de isotopensamenstelling van de atmosfeer van een exoplaneet tot op het vereiste detailniveau te bepalen.

De studie, "Computationele analyse van vibratiemodi in tetra-zwavel met behulp van een dimensionaal verminderd potentieel energie-oppervlak, " werd gepubliceerd in het tijdschrift Moleculaire fysica . Het werk werd gedeeltelijk ondersteund door NASA Astrobiology via het Exobiology-programma.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.