Une équipe de scientifiques utilisant un instrument de pointe de l'UCLA rapporte la découverte d'un « tir à la corde » de la vie à l'échelle planétaire, la Terre profonde et la haute atmosphère qui s'exprime en azote atmosphérique.

L'atmosphère terrestre diffère de l'atmosphère de la plupart des autres planètes rocheuses et lunes de notre système solaire en ce qu'elle est riche en azote gazeux, ou N2 ; l'atmosphère terrestre contient 78 pour cent d'azote gazeux. Titan, la plus grande des plus de 60 lunes de Saturne, est l'autre corps de notre système solaire avec une atmosphère riche en azote qui ressemble à la nôtre.

Par rapport à d'autres éléments clés de la vie, tels que l'oxygène, hydrogène et carbone—l'azote moléculaire est très stable. Deux atomes d'azote se combinent pour former des molécules de N2 qui restent dans l'atmosphère pendant des millions d'années.

La majorité de l'azote a une masse atomique de 14. Moins d'un pour cent de l'azote a un neutron supplémentaire. Alors que cet isotope lourd, azote-15, c'est rare, Les molécules de N2 qui contiennent deux azote-15 - que les chimistes appellent 15N15N - sont les plus rares de toutes les molécules de N2.

L'équipe de scientifiques a mesuré la quantité de 15N15N dans l'air et a découvert que cette forme rare d'azote gazeux est beaucoup plus abondante que les scientifiques ne l'avaient prévu. L'atmosphère terrestre contient environ 2% de 15N15N de plus que ce qui peut être expliqué par les processus géochimiques se produisant près de la surface de la Terre.

"Cet excès n'était pas connu avant car personne ne pouvait le mesurer, " a déclaré l'auteur principal Edward Young, professeur de géochimie et de cosmochimie à l'UCLA. "Notre spectromètre de masse Panorama unique en son genre nous permet de voir cela pour la première fois. Nous avons mené des expériences montrant que la seule façon pour cet excès de 15N15N de se produire est de rares réactions dans la haute atmosphère. Deux pour cent est un énorme excès."

Young a déclaré que l'enrichissement du 15N15N dans l'atmosphère terrestre est une signature unique à notre planète. "Mais cela nous donne également un indice sur ce à quoi pourraient ressembler les signatures d'autres planètes, surtout s'ils sont capables de supporter la vie telle que nous la connaissons."

La recherche est publiée dans la revue Avancées scientifiques .

"Nous n'avons pas cru les mesures au début, et avons passé environ un an à nous convaincre qu'ils étaient exacts, " a déclaré l'auteur principal Laurence Yeung, un professeur assistant de la Terre, sciences de l'environnement et de la planète à l'Université Rice.

L'étude a commencé il y a quatre ans lorsque Yeung, puis chercheur postdoctoral UCLA dans le laboratoire de Young, appris l'existence du premier spectromètre de masse en son genre qui était installé dans le laboratoire de Young.

"À ce moment-là, personne n'avait de moyen de quantifier de manière fiable le 15N15N, " dit Yeung, qui a rejoint la faculté de Rice en 2015. "Il a une masse atomique de 30, le même que l'oxyde nitrique. Le signal de l'oxyde nitrique dépasse généralement le signal du 15N15N dans les spectromètres de masse."

La différence de masse entre l'oxyde nitrique et le 15N15N est d'environ deux millièmes de la masse d'un neutron. Lorsque Yeung apprit que la nouvelle machine du laboratoire de Young pouvait discerner cette légère différence, il a demandé une subvention à la National Science Foundation pour savoir exactement quelle quantité de 15N15N se trouve dans l'atmosphère terrestre.

Les co-auteurs Joshua Haslun et Nathaniel Ostrom de la Michigan State University ont mené des expériences sur des bactéries consommatrices et productrices de N2 qui ont permis à l'équipe de déterminer leurs signatures 15N15N.

Ces expériences suggèrent que l'on devrait voir un peu plus de 15N15N dans l'air que ce que produiraient des appariements aléatoires d'azote-14 et d'azote-15 - un enrichissement d'environ 1 partie pour 1, 000, dit Yeung.

"Il y a eu un peu d'enrichissement dans les expériences biologiques, mais pas assez pour expliquer ce que nous avions trouvé dans l'atmosphère, " dit Yeung. " En fait, cela signifiait que le processus à l'origine de l'enrichissement atmosphérique en 15N15N devait lutter contre cette signature biologique. Ils sont enfermés dans un bras de fer."

L'équipe a découvert que zapper des mélanges d'air avec de l'électricité, qui simule la chimie de la haute atmosphère, pourraient produire des niveaux enrichis de 15N15N comme ils l'ont mesuré dans des échantillons d'air.

Les chercheurs ont testé des échantillons d'air au niveau du sol et à des altitudes d'environ 20 miles, ainsi que l'air dissous provenant d'échantillons d'eau de mer peu profonde.

"Nous pensons que l'enrichissement en 15N15N provient fondamentalement de la chimie de la haute atmosphère, à des altitudes proches de l'orbite de la Station spatiale internationale, " dit Yeung. " Le bras de fer vient de la vie tirant dans l'autre sens, et nous pouvons voir des preuves chimiques de cela. Nous pouvons voir le tir à la corde partout."

Les co-auteurs sont Issaku Kohl et Edwin Schauble de l'UCLA; Huanting Hu de riz; Shuning Li, anciennement de l'UCLA et de Rice et maintenant de l'Université de Pékin à Pékin; et Tobias Fischer de l'Université du Nouveau-Mexique.