La nature chuchote ses histoires dans un faible langage moléculaire, et Laurence Yeung, scientifique de l'Université Rice, et ses collègues peuvent enfin raconter une de ces histoires cette semaine, grâce à un instrument unique en son genre qui leur a permis d'entendre ce que dit l'atmosphère avec de rares molécules d'azote.

Yeung et ses collègues de Rice, UCLA, L'Université d'État du Michigan et l'Université du Nouveau-Mexique ont compté des molécules rares dans l'atmosphère qui ne contiennent que des isotopes lourds d'azote et ont découvert un bras de fer à l'échelle planétaire entre la vie, la Terre profonde et la haute atmosphère qui s'exprime en azote atmosphérique.

La recherche a été publiée en ligne cette semaine dans la revue Avancées scientifiques .

"On n'y croyait pas au début, " dit Yeung, l'auteur principal de l'étude et professeur adjoint de la Terre, sciences de l'environnement et de la planète à Rice. "Nous avons passé environ un an à nous convaincre que les mesures étaient exactes."

L'histoire tourne autour de l'azote, un élément clé de la vie qui constitue plus des trois quarts de l'atmosphère terrestre. Par rapport à d'autres éléments clés de la vie comme l'oxygène, hydrogène et carbone, l'azote est très stable. Deux de ses atomes forment des molécules de N2 qui sont estimées rester dans l'atmosphère pendant environ 10 millions d'années avant d'être brisées et reformées. Et la grande majorité de l'azote a une masse atomique de 14. Seulement environ 0,4 pour cent sont de l'azote-15, un isotope qui contient un neutron supplémentaire. Parce que l'azote-15 est déjà rare, Les molécules de N2 qui contiennent deux azote-15, que les chimistes appellent ¹⁵ N ¹⁵ N—sont les plus rares de tous les N 2 molécules.

La nouvelle étude montre que ¹⁵ N ¹⁵ N est 20 fois plus enrichi dans l'atmosphère terrestre que ce qui peut être expliqué par les processus se produisant près de la surface de la Terre.

« Nous pensons que le ¹⁵ N ¹⁵ L'enrichissement en N 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 en voir des preuves chimiques."

Co-auteur Edward Young, professeur de Terre, sciences planétaires et spatiales à l'UCLA, mentionné, « L'enrichissement de ¹⁵ N ¹⁵ L'azote dans l'atmosphère terrestre reflète un équilibre entre la chimie de l'azote qui se produit dans l'atmosphère, à la surface en raison de la vie et à l'intérieur de la planète elle-même. C'est une signature unique à la Terre, 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."

Les processus chimiques qui produisent des molécules comme le N2 peuvent modifier les probabilités que les « amas d'isotopes » comme ¹⁵ N ¹⁵ N sera formé. Dans des travaux antérieurs, Yeung, Young et ses collègues ont utilisé des amas d'isotopes dans l'oxygène pour identifier les signatures révélatrices de la photosynthèse chez les plantes et de la chimie de l'ozone dans l'atmosphère. L'étude sur l'azote a commencé il y a quatre ans lorsque Yeung, puis chercheur postdoctoral à l'UCLA, appris l'existence d'un spectromètre de masse unique en son genre qui était en cours d'installation dans le laboratoire de Young.

"À ce moment-là, personne n'avait un moyen de quantifier de manière fiable ¹⁵ N ¹⁵ N, " 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 du monoxyde d'azote dépasse généralement le signal du ¹⁵ N ¹⁵ N dans les spectromètres de masse."

La différence de masse entre l'oxyde nitrique et ¹⁵ N ¹⁵ N est environ deux millièmes de la masse d'un neutron. Lorsque Yeung a appris que la nouvelle machine du laboratoire de Young pouvait discerner cette légère différence, il a demandé une subvention à la National Science Foundation (NSF) pour déterminer exactement combien ¹⁵ N ¹⁵ N était dans l'atmosphère terrestre.

"Les processus biologiques sont des centaines à mille fois plus rapides pour faire circuler l'azote dans l'atmosphère que les processus géologiques, " Yeung a dit. " Si tout est comme d'habitude, on s'attendrait à ce que l'atmosphère reflète ces cycles biologiques."

Pour savoir si c'était le cas, 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 pour déterminer leur ¹⁵ N ¹⁵ N signature.

Ces expériences suggéraient que l'on devrait voir un peu plus ¹⁵ N ¹⁵ N dans l'air que des appariements aléatoires d'azote-14 et d'azote-15 produiraient - 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 provoquant l'atmosphère ¹⁵ N ¹⁵ L'enrichissement en N doit lutter contre cette signature biologique. Ils sont enfermés dans un bras de fer."

L'équipe a finalement découvert que zapper des mélanges d'air avec de l'électricité, qui simule la chimie de la haute atmosphère, pourrait produire des niveaux enrichis de ¹⁵ N ¹⁵ N comme ils ont mesuré dans des échantillons d'air. Les mélanges d'azote gazeux pur ont produit très peu d'enrichissement, mais des mélanges se rapprochant du mélange de gaz dans l'atmosphère terrestre pourraient produire un signal encore plus élevé que ce qui a été observé dans l'air.

"Jusqu'à présent, nous avons testé des échantillons d'air naturel au niveau du sol et à des altitudes de 32 kilomètres, ainsi que l'air dissous provenant d'échantillons d'eau de mer peu profonde, " at-il dit. "Nous avons trouvé le même enrichissement dans chacun d'eux. Nous pouvons voir le tir à la corde partout."