Cartographier les liaisons et les modes vibrationnels des molécules contenant des isotopes du soufre permet de faire la lumière sur les réactions chimiques qui ont eu lieu dans l'atmosphère terrestre à l'époque archéenne, avant que l'atmosphère ne soit oxygénée il y a environ 2,5 milliards d'années.

L'Archéen est un éon géologique qui a duré de 4 milliards d'années à 2,5 milliards d'années. Il a vu l'émergence de la première vie sur Terre, mais ces microbes étaient anaérobies, ce qui signifie qu'ils ne respiraient pas d'oxygène. En réalité, pendant ce temps, L'atmosphère terrestre ne contenait pas d'oxygène moléculaire. Au lieu, l'atmosphère était riche en carbone et, particulièrement, soufre.

Le soufre dans l'atmosphère de la Terre archéenne a été émis par l'activité volcanique, et par un processus appelé fractionnement indépendant de la masse, les divers isotopes du soufre (atomes de soufre contenant le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons) se sont enrichis d'une manière qui ne correspond pas à leur masse. La preuve que cela s'est produit se trouve dans des dépôts de surface datant de l'Archéen, et c'était ces isotopes de soufre, dans le cadre de molécules telles que le sulfure d'hydrogène (H 2 S) et le dioxyde de soufre (SO 2 ), quels microbes ont métabolisé, libérant de l'oxygène dans le processus et commençant le processus d'oxygénation de l'atmosphère terrestre - un développement appelé le grand événement d'oxygénation.

Parce que le soufre est rapidement oxydé dans un environnement riche en oxygène, puis retiré de l'atmosphère par les précipitations et le ruissellement dans l'océan, la chimie du soufre du début de la vie archéenne a été progressivement supprimée et perdue dans le temps. Cependant, en comprenant le processus de fractionnement indépendant de la masse, il devrait être possible d'en savoir plus sur l'atmosphère de la Terre pré-oxygénée et les conditions dans lesquelles a vécu la première vie sur Terre.

Le processus derrière le fractionnement indépendant de la masse du soufre reste incertain, mais les deux hypothèses les plus populaires sont soit la photolyse (la rupture des molécules) par la lumière ultraviolette du Soleil, ou des réactions entre le soufre élémentaire. "Toutefois, le phénomène réel, la réaction ou le mécanisme reste à identifier, " dit Dmitri Babikov, professeur de chimie physique et de physique moléculaire à l'Université Marquette de Milwaukee, Wisconsin.

Les liaisons moléculaires du soufre

Babikov, avec ses collègues Marquette Igor Gayday et Alexander Teplukhin, ont publié un nouvel article dans la revue Physique Moléculaire qui explore certaines des liaisons moléculaires d'un soufre-4 (S 4 ) molécule, et comment ces liaisons affectent les modes vibrationnels de la molécule, qui à son tour peut influencer le processus de fractionnement indépendant de la masse.

Ils en ont identifié une seconde, inconnu auparavant, lien qui unit S 2 molécules (contenant deux atomes de soufre) pour former S 4 . "Cette deuxième liaison maintient la molécule serrée dans un arrangement [en forme de trapèze] et ne permet pas une rotation facile des deux S 2 molécules dans S 4 , " dit Babikov. A son tour, cet arrangement d'atomes de soufre détermine alors comment ils se déplacent comme le S 4 la molécule vibre.

Les états vibrationnels, ou fréquences, du S 4 molécule sont déterminés à la fois par la forme de la "surface d'énergie potentielle de la molécule, " qui décrit l'énergie des isotopes dans l'arrangement trapézoïdal de la molécule S4, et comment les réactions chimiques modifient l'énergie potentielle de ce système. Non seulement le nombre de modes de vibration, impliquant l'étirement et la compression des liaisons entre le S 2 molécules, avoir une incidence sur la vitesse de réaction, mais ils pourraient aussi être sensibles à un isotope donné, ce qui pourrait aider à identifier la réaction chimique derrière le fractionnement indépendant de la masse. "Mais à ce stade, c'est encore une hypothèse, " dit Babikov.

Une meilleure compréhension du rôle du fractionnement indépendant de la masse dans la chimie du soufre de la Terre archéenne nous donne non seulement une image de l'environnement sur Terre avant l'oxygénation, mais cela nous renseigne également sur les biosignatures potentielles qu'un environnement similaire sur une exoplanète pourrait créer.

"[Les isotopes du soufre] pourraient potentiellement servir de signature de l'environnement qui a créé la vie sur Terre, " dit Babikov. Cependant, il dit, notre niveau actuel de technologie télescopique signifie qu'il serait très difficile de déterminer la composition isotopique de l'atmosphère d'une exoplanète au niveau de détail requis.

L'étude, "Analyse informatique des modes vibrationnels dans le tétra-soufre utilisant une surface d'énergie potentielle dimensionnellement réduite, " a été publié dans la revue Physique Moléculaire . Le travail a été soutenu en partie par la NASAAstrobiology à travers le programme d'exobiologie.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du magazine Astrobiology de la NASA. Explorez la Terre et au-delà sur www.astrobio.net .