Naturen viskar sina berättelser på ett svagt molekylärt språk, och Rice University-forskaren Laurence Yeung och kollegor kan äntligen berätta en av dessa historier den här veckan, tack vare ett unikt instrument som gjorde att de kunde höra vad atmosfären säger med sällsynta kvävemolekyler.

Yeung och kollegor på Rice, UCLA, Michigan State University och University of New Mexico räknade sällsynta molekyler i atmosfären som bara innehåller tunga isotoper av kväve och upptäckte en dragkamp i planetarisk skala mellan liv, den djupa jorden och den övre atmosfären som uttrycks i atmosfäriskt kväve.

Forskningen publicerades online denna vecka i tidskriften Vetenskapens framsteg .

"Vi trodde inte på det först, sade Yeung, huvudförfattaren till studien och en biträdande professor i jorden, miljö- och planetvetenskap på Rice. "Vi ägnade ungefär ett år åt att bara övertyga oss själva om att mätningarna var korrekta."

Berättelsen kretsar kring kväve, ett nyckelelement i livet som utgör mer än tre fjärdedelar av jordens atmosfär. Jämfört med andra nyckelelement i livet som syre, väte och kol, kvävet är mycket stabilt. Två atomer av det bildar N2-molekyler som beräknas hänga runt i atmosfären i cirka 10 miljoner år innan de bryts isär och reformeras. Och den stora majoriteten av kväve har en atommassa på 14. Endast cirka 0,4 procent är kväve-15, en isotop som innehåller en extra neutron. Eftersom kväve-15 redan är sällsynt, N2-molekyler som innehåller två kväve-15s - som kemister kallar ¹⁵ N ¹⁵ N - är de sällsynta av alla N ₂ molekyler.

Det visar den nya studien ¹⁵ N ¹⁵ N är 20 gånger mer anrikat i jordens atmosfär än vad som kan förklaras av processer som sker nära jordens yta.

"Vi tror att ¹⁵ N ¹⁵ N-anrikning kommer i grunden 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."

Medförfattare Edward Young, professor i jorden, planet- och rymdvetenskap vid UCLA, sa, "Anrikningen av ¹⁵ N ¹⁵ N i jordens atmosfär återspeglar en balans mellan kvävekemin som förekommer i atmosfären, vid ytan på grund av livet och inom själva planeten. Det är en signatur unik för jorden, 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."

De kemiska processer som producerar molekyler som N2 kan förändra oddsen som "isotopklumpar" gillar ¹⁵ N ¹⁵ N kommer att bildas. I tidigare arbeten, Yeung, Young och kollegor använde isotopklumpar i syre för att identifiera kontrollanta signaturer av fotosyntes i växter och ozonkemi i atmosfären. Kvävestudien började för fyra år sedan när Yeung, sedan postdoktor vid UCLA, lärde sig om en första i sitt slag masspektrometer som höll på att installeras i Youngs labb.

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

Skillnaden i massa mellan kväveoxid och ¹⁵ N ¹⁵ N är ungefär två tusendelar av en neutrons massa. När Yeung fick reda på att den nya maskinen i Youngs labb kunde urskilja denna lilla skillnad, han ansökte om bidrag från National Science Foundation (NSF) för att undersöka exakt hur mycket ¹⁵ N ¹⁵ N fanns i jordens atmosfär.

"Biologiska processer är hundratals till tusen gånger snabbare när det gäller att cirkulera kväve genom atmosfären än geologiska processer, " Sa Yeung. "Om allt är business as usual, man skulle förvänta sig att atmosfären skulle återspegla dessa biologiska cykler."

För att ta reda på om så var fallet, medförfattarna Joshua Haslun och Nathaniel Ostrom vid Michigan State University genomförde experiment på N2-förbrukande och N2-producerande bakterier för att fastställa deras ¹⁵ N ¹⁵ N signaturer.

Dessa experiment föreslog att man borde se lite mer ¹⁵ N ¹⁵ N i luften än slumpmässiga parningar av kväve-14 och kväve-15 skulle ge — 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 orsakar atmosfären ¹⁵ N ¹⁵ N-anrikning måste kämpa mot denna biologiska signatur. De är låsta i en dragkamp."

Teamet fann så småningom att zappa blandningar av luft med elektricitet, som simulerar kemin i den övre atmosfären, skulle kunna producera berikade nivåer av ¹⁵ N ¹⁵ N som de mätte i luftprover. Blandningar av ren kvävgas gav mycket liten anrikning, men blandningar som närmar sig blandningen av gaser i jordens atmosfär kan producera en signal som är ännu högre än vad som observerades i luften.

"Hintills har vi testat naturliga luftprover från marknivå och från höjder på 32 kilometer, såväl som löst luft från grunda havsvattenprover, " sa han. "Vi har hittat samma berikning i dem alla. Vi kan se dragkampen överallt."