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稀有氮分子的发现为生命支持行星提供线索
发布日期:2018-05-15

科学家们已经发现了生命,深层地球和高层大气之间的一种行星尺度拉锯战,在大气氮中表达。致谢ISS Expedition 7 Crew,EOL,NASA

一组使用最先进的加州大学洛杉矶分校仪器的科学家报告发现了一个行星尺度的“拔河”生活,深层地球和高层大气中的大气氮。

地球的大气不同于我们太阳系中大多数其他岩石行星和卫星的大气层,因为它富含氮气或氮气;地球大气中含有78%的氮气。泰坦是土星超过60颗卫星中最大的一颗,是我们太阳系中另一个具有类似我们的富氮气氛的机体。

与其他生命的关键要素 - 如氧气,氢气和碳 - 相比,分子氮非常稳定。两个氮原子结合形成的N2分子在大气中停留数百万年。

大部分氮的原子质量为14.少于1%的氮具有额外的中子。虽然这种重氮同位素氮15很少,但含有两个氮15的氮分子 - 化学家称为15N15N - 是所有氮分子中最罕见的。

科学家们测量了空气中15N15N的含量,发现这种罕见的氮气比科学家预期的要丰富得多。地球大气层含有的15N15N比地球表面附近发生的地球化学过程所能解释的多15%。

“这种过量之前并不知道,因为没有人可以测量它,”高级作者Edward Young,加州大学洛杉矶分校地球化学和宇宙化学教授说。 “我们独一无二的全景质谱仪让我们第一次看到这一点。我们进行的实验表明,这种15N15N过量的唯一途径是在高层大气中罕见的反应。百分之二是一个巨大的过剩。“

杨说,15N15N在地球大气层中的富集是我们星球独有的特征。 “但它也给了我们一个关于其他星球的签名可能是什么样子的线索,特别是如果他们能够支持我们所知道的生活。”

该研究发表在“科学进展”杂志上。

第一作者,莱斯大学地球,环境和行星科学助理教授Laurence Yeung说:“我们起初并不相信测量结果,花了大概一年时间才确信它们是准确的。”

这项研究是在四年前开始的,当时加州大学洛杉矶分校的Young实验室博士后研究人员Yeung了解到在Young实验室安装的第一台质谱仪。

“当时,没有人有办法可靠地量化15N15N,”杨在2015年加入了赖斯的教授说。“它的原子质量为30,与一氧化氮相同。来自一氧化氮​​的信号通常压倒质谱仪中15N15N的信号。“

一氧化氮和15N15N之间的质量差约为中子质量的千分之二。当Yeung得知Young实验室的新机器可以辨别这种细微差别时,他向国家科学基金会申请拨款资助,以确切了解15N15N在地球大气层中的含量。

来自密歇根州立大学的Joshua Haslun和Nathaniel Ostrom共同撰写了关于N2消耗细菌和N2产生细菌的实验,使团队能够确定其15N15N特征。

这些实验表明,人们应该在空气中看到更多的15N15N,而不是随机配对的氮-14和氮-15会产生 - 每1000个富集约1份,Yeung说。

“生物实验中有一些丰富,但还不足以说明我们在大气中发现的东西,”杨说。 “事实上,这意味着引起大气中15N15N富集的过程必须与这种生物特征作斗争。他们被锁在拔河中。“

研究小组发现,模拟大气层上层化学反应的空气与电力的混合物能够产生浓缩的15N15N,就像他们在空气样品中测量的那样。

研究人员从大约20英里的地面和海拔高度测试空气样本,以及浅海水样本中的溶解空气。

Yeung说:“我们认为15N15N的浓缩基本上来自高层大气化学,接近国际空间站轨道的高度。 “拉锯战来自生活拉向另一个方向,我们可以看到这一点的化学证据。我们可以在任何地方看到拔河。“

共同作者是加州大学洛杉矶分校的Issaku Kohl和Edwin Schauble; Huanting湖米;李顺宁,前加州大学洛杉矶分校和赖斯,现在在北京北大;和新墨西哥大学的Tobias Fischer。

这项研究得到了国家科学基金会,深碳观测站和美国能源部大湖生物能源研究中心的支持。

发表:Laurence Y. Yeung等人,“15N15N大气中的极端富集”,Science Advances 2017年11月17日:Vol。 3,没有。 11,eaao6741; DOI:10.1126 / sciadv.aao6741

来源:加州大学洛杉矶分校新闻室