p A natureza sussurra suas histórias em uma linguagem molecular fraca, e o cientista da Rice University Laurence Yeung e colegas podem finalmente contar uma dessas histórias esta semana, graças a um instrumento único que lhes permitiu ouvir o que a atmosfera está dizendo com raras moléculas de nitrogênio. p Yeung e colegas da Rice, UCLA, A Michigan State University e a University of New Mexico contaram moléculas raras na atmosfera que contêm apenas isótopos pesados ​​de nitrogênio e descobriram um cabo de guerra entre vidas em escala planetária, as profundezas da Terra e a alta atmosfera, que é expressa em nitrogênio atmosférico.

p A pesquisa foi publicada online esta semana na revista. Avanços da Ciência .

p "Não acreditamos no início, "disse Yeung, o principal autor do estudo e professor assistente da Terra, ciências ambientais e planetárias na Rice. "Passamos cerca de um ano apenas nos convencendo de que as medições eram precisas."

p A história gira em torno do nitrogênio, um elemento-chave da vida que constitui mais de três quartos da atmosfera da Terra. Comparado com outros elementos-chave da vida, como oxigênio, hidrogênio e carbono, o nitrogênio é muito estável. Dois átomos dela formam moléculas de N2 que se estima que permanecem na atmosfera por cerca de 10 milhões de anos antes de serem quebradas e reformadas. E a grande maioria do nitrogênio tem massa atômica de 14. Apenas cerca de 0,4 por cento são nitrogênio-15, um isótopo que contém um nêutron extra. Porque o nitrogênio-15 já é raro, Moléculas de N2 que contêm dois nitrogênio-15 - que os químicos chamam de ¹⁵ N ¹⁵ N — são os mais raros de todos os N ₂ moléculas.

p O novo estudo mostra que ¹⁵ N ¹⁵ N é 20 vezes mais enriquecido na atmosfera da Terra do que pode ser explicado por processos que acontecem perto da superfície da Terra.

p "Nós pensamos que o ¹⁵ N ¹⁵ O enriquecimento de N vem fundamentalmente da química da atmosfera superior, em altitudes próximas à órbita da Estação Espacial Internacional, "Yeung disse." O cabo de guerra vem da vida puxando na outra direção, e podemos ver evidências químicas disso. "

p Co-autor Edward Young, professor da Terra, ciências planetárias e espaciais na UCLA, disse, “O enriquecimento de ¹⁵ N ¹⁵ N na atmosfera da Terra reflete um equilíbrio entre a química do nitrogênio que ocorre na atmosfera, na superfície devido à vida e dentro do próprio planeta. É uma assinatura exclusiva da Terra, mas também nos dá uma pista sobre como podem ser as assinaturas de outros planetas, especialmente se eles são capazes de sustentar a vida como a conhecemos. "

p Os processos químicos que produzem moléculas como o N2 podem mudar as chances de que "aglomerados de isótopos" como ¹⁵ N ¹⁵ N será formado. Em trabalhos anteriores, Yeung, Young e seus colegas usaram aglomerados de isótopos no oxigênio para identificar assinaturas reveladoras da fotossíntese nas plantas e da química do ozônio na atmosfera. O estudo do nitrogênio começou há quatro anos, quando Yeung, em seguida, um pesquisador de pós-doutorado na UCLA, aprendi sobre um espectrômetro de massa inédito que estava sendo instalado no laboratório de Young.

p "Naquela hora, ninguém tinha uma maneira de quantificar de forma confiável ¹⁵ N ¹⁵ N, "disse Yeung, que se juntou ao corpo docente de Rice em 2015. "Tem uma massa atômica de 30, o mesmo que o óxido nítrico. O sinal do óxido nítrico geralmente supera o sinal do ¹⁵ N ¹⁵ N em espectrômetros de massa. "

p A diferença de massa entre o óxido nítrico e ¹⁵ N ¹⁵ N é cerca de dois milésimos da massa de um nêutron. Quando Yeung soube que a nova máquina no laboratório de Young podia discernir essa ligeira diferença, ele se candidatou a uma concessão de financiamento da National Science Foundation (NSF) para explorar exatamente quanto ¹⁵ N ¹⁵ N estava na atmosfera da Terra.

p "Os processos biológicos são centenas a mil vezes mais rápidos na passagem do nitrogênio pela atmosfera do que os processos geológicos, "Yeung disse." Se tudo continuar como sempre, seria de se esperar que a atmosfera refletisse esses ciclos biológicos. "

p Para descobrir se esse era o caso, os co-autores Joshua Haslun e Nathaniel Ostrom da Michigan State University conduziram experimentos com bactérias consumidoras e produtoras de N2 para determinar sua ¹⁵ N ¹⁵ N assinaturas.

p Esses experimentos sugeriram que se deveria ver um pouco mais ¹⁵ N ¹⁵ N no ar do que os pares aleatórios de nitrogênio-14 e nitrogênio-15 produziriam - um enriquecimento de cerca de 1 parte por 1, 000, Yeung disse.

p “Houve um certo enriquecimento nas experiências biológicas, mas não o suficiente para explicar o que encontramos na atmosfera, "Yeung disse." Na verdade, isso significava que o processo que causa a atmosfera ¹⁵ N ¹⁵ O enriquecimento com N tem que lutar contra essa assinatura biológica. Eles estão presos em um cabo de guerra. "

p A equipe acabou descobrindo que misturar ar com eletricidade, que simula a química da alta atmosfera, poderia produzir níveis enriquecidos de ¹⁵ N ¹⁵ N como medidos em amostras de ar. As misturas de gás nitrogênio puro produziram muito pouco enriquecimento, mas misturas que se aproximam da mistura de gases na atmosfera da Terra podem produzir um sinal ainda mais alto do que o observado no ar.

p "Até agora, testamos amostras de ar natural do nível do solo e de altitudes de 32 quilômetros, bem como ar dissolvido de amostras de água oceânica rasa, "disse ele." Encontramos o mesmo enriquecimento em todos eles. Podemos ver o cabo de guerra em todos os lugares. "