Ett team av forskare som använder ett toppmodernt UCLA-instrument rapporterar upptäckten av en "dragkamp" av liv i planetarisk skala, djupa jorden och den övre atmosfären som uttrycks i atmosfäriskt kväve.

Jordens atmosfär skiljer sig från atmosfären hos de flesta andra stenplaneter och månar i vårt solsystem genom att den är rik på kvävgas, eller N2; jordens atmosfär består av 78 procent kvävgas. Titan, den största av Saturnus mer än 60 månar, är den andra kroppen i vårt solsystem med en kväverik atmosfär som liknar vår.

Jämfört med andra nyckelelement i livet - som syre, väte och kol – molekylärt kväve är mycket stabilt. Två kväveatomer kombineras för att bilda N2-molekyler som stannar i atmosfären i miljontals år.

Majoriteten av kvävet har en atommassa på 14. Mindre än en procent av kvävet har en extra neutron. Medan denna tunga isotop, kväve-15, är ovanlig, N2-molekyler som innehåller två kväve-15s - som kemister kallar 15N15N - är de sällsynta av alla N2-molekyler.

Teamet av forskare mätte mängden 15N15N i luft och upptäckte att denna sällsynta form av kvävgas är mycket rikligare än forskarna hade förväntat sig. Jordens atmosfär innehåller cirka två procent mer 15N15N än vad som kan förklaras av geokemiska processer som sker nära jordens yta.

"Det här överskottet var inte känt tidigare eftersom ingen kunde mäta det, " sa seniorförfattaren Edward Young, en UCLA-professor i geokemi och kosmokemi. "Vår unika Panorama-masspektrometer låter oss se detta för första gången. Vi genomförde experiment som visade att det enda sättet för detta överskott av 15N15N att inträffa är genom sällsynta reaktioner i den övre atmosfären. Två procent är en enormt överskott."

Young sa att anrikningen av 15N15N i jordens atmosfär är en signatur som är unik för vår planet. "Men det ger oss också en ledtråd om hur signaturer från andra planeter kan se ut, speciellt om de är kapabla att försörja livet som vi känner det."

Forskningen publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg .

"Vi trodde inte på mätningarna först, och tillbringade ungefär ett år med att bara övertyga oss själva om att de var korrekta, " sa huvudförfattaren Laurence Yeung, en biträdande professor i jorden, miljö- och planetvetenskap vid Rice University.

Studien började för fyra år sedan när Yeung, sedan en UCLA-postdoktor i Youngs laboratorium, lärde sig om den första masspektrometern i sitt slag som installerades i Youngs laboratorium.

"Vid den tiden, ingen hade ett sätt att tillförlitligt kvantifiera 15N15N, sa Yeung, som började på Rices fakultet 2015. "Den har en atommassa på 30, samma som kväveoxid. Signalen från kväveoxid överväldigar vanligtvis signalen från 15N15N i masspektrometrar."

Skillnaden i massa mellan kväveoxid och 15N15N är ungefär två tusendelar av en neutrons massa. När Yeung fick veta att den nya maskinen i Youngs laboratorium kunde urskilja denna lilla skillnad, han ansökte om bidrag från National Science Foundation för att lära sig exakt hur mycket 15N15N som finns i jordens atmosfär.

Medförfattarna Joshua Haslun och Nathaniel Ostrom vid Michigan State University genomförde experiment på N2-konsumerande och N2-producerande bakterier som gjorde det möjligt för teamet att bestämma deras 15N15N-signaturer.

Dessa experiment föreslog att man borde se lite mer 15N15N i luften än slumpmässiga parningar av kväve-14 och kväve-15 skulle producera - en anrikning på cirka 1 del per 1, 000, sa Yeung.

"Det var lite berikning i de biologiska experimenten, men inte tillnärmelsevis tillräckligt för att redogöra för vad vi hade hittat i atmosfären, " sa Yeung. "Faktiskt, det innebar att processen som orsakade den atmosfäriska 15N15N-anrikningen måste kämpa mot denna biologiska signatur. De är låsta i en dragkamp."

Teamet fann att zappa blandningar av luft med elektricitet, som simulerar kemin i den övre atmosfären, kunde producera anrikade nivåer av 15N15N som de mätte i luftprover.

Forskarna testade luftprover från marknivå och från höjder på cirka 20 miles, samt löst luft från grunda havsvattenprover.

"Vi tror att 15N15N-anrikningen i grunden kommer från kemi i den övre atmosfären, på höjder nära den internationella rymdstationens omloppsbana, " Sa Yeung. "Träckningen kommer från livet som drar åt andra hållet, och vi kan se kemiska bevis på det. Vi kan se dragkampen överallt."

Medförfattare är Isaku Kohl och Edwin Schauble från UCLA; Huanting Hu av Rice; Shuning Li, tidigare från UCLA och Rice och nu med Peking University i Peking; och Tobias Fischer från University of New Mexico.