Svavelkemi var avgörande för tidigt anaerobt liv under den arkeiska eonen, för över 2,5 miljarder år sedan. BILDKREDIT:PETER SAWYER/SMITHSONIAN INSTITUTION.
Kartläggning av bindningar och vibrationssätt för molekyler som innehåller svavelisotoper hjälper till att belysa de kemiska reaktioner som ägde rum i jordens atmosfär under den arkeiska eran, innan atmosfären blev syresatt för cirka 2,5 miljarder år sedan.
Archean är en geologisk eon som varade från 4 miljarder år till 2,5 miljarder år sedan. Det såg uppkomsten av det första livet på jorden, men dessa mikrober var anaeroba, vilket betyder att de inte andades syre. Faktiskt, under denna tid, Jordens atmosfär innehöll inget molekylärt syre. Istället, atmosfären var rik på kol och, särskilt, svavel.
Svavlet i den arkeiska jordens atmosfär släpptes ut av vulkanisk aktivitet, och genom en process som kallas massoberoende fraktionering, svavels olika isotoper (svavelatomer som innehåller samma antal protoner men olika antal neutroner) anrikades på ett sätt som inte korrelerar med deras massa. Bevis för att detta inträffade finns i ytavlagringar som går tillbaka till arkeiska havet, och det var dessa svavelisotoper, som en del av molekyler som vätesulfid (H 2 S) och svaveldioxid (SO 2 ), vilka mikrober som metaboliseras, släppa ut syre i processen och påbörja processen med att syresätta jordens atmosfär - en utveckling som kallas den stora syresättningshändelsen.
Eftersom svavel snabbt oxideras i en syrerik miljö, och sedan avlägsnas från atmosfären genom nederbörd och avrinning i havet, svavelkemin i det tidiga arkeiska livet fasades ut och förlorades med tiden. Dock, genom att förstå den massoberoende fraktioneringsprocessen, det borde vara möjligt att lära sig mer om atmosfären på den försyresatta jorden och de förhållanden under vilka det första livet på jorden levde.
Processen bakom den massoberoende fraktioneringen av svavel är fortfarande osäker, men de två mest populära hypoteserna är antingen fotolys (molekylernas sönderdelning) med ultraviolett ljus från solen, eller reaktioner mellan elementärt svavel. "Dock, själva fenomenet, reaktion eller mekanism återstår att identifiera, "säger Dmitri Babikov, professor i fysikalisk kemi och molekylär fysik vid Marquette University i Milwaukee, Wisconsin.
Extremofiler, såsom termofilerna som ger de mikrobiella mattorna så levande färger i de varma källorna i Yellowstone National Park, är ett hett ämne för studier bland astrobiologer i Storbritannien. BILDKREDIT:JIM PEACO/NATIONAL PARK SERVICE.
Svavelets molekylära bindningar
Babikov, tillsammans med hans Marquette -kollegor Igor Gayday och Alexander Teplukhin, har publicerat en ny artikel i tidningen Molekylär fysik som utforskar några av de molekylära bindningarna i en svavel-4 (S 4 ) molekyl, och hur dessa bindningar påverkar molekylens vibrationssätt, vilket i sin tur kan påverka den massoberoende fraktioneringsprocessen.
De identifierade en andra, tidigare okänd, bindning som förenar S 2 molekyler (som innehåller två svavelatomer) för att bilda S 4 . "Denna andra bindning håller molekylen tätt i ett [trapetsformat] arrangemang och tillåter inte enkel rotation av de två S 2 molekyler inom S 4 , " säger Babikov. I sin tur, detta arrangemang av svavelatomer bestämmer sedan hur de rör sig som S 4 molekylen vibrerar.
Vibrationstillstånden, eller frekvenser, av S 4 molekyl bestäms av både formen på molekylens potentiella energiyta, "som beskriver energin hos isotoperna i trapetsarrangemanget av S4-molekylen, och hur kemiska reaktioner förändrar det systemets potentiella energi. Inte bara antalet vibrationslägen, involverar sträckning och kompression av bindningarna mellan S 2 molekyler, har betydelse för reaktionshastigheten, men de kan också vara känsliga för en given isotop, vilket kan hjälpa till att identifiera den kemiska reaktionen bakom massoberoende fraktionering. "Men vid denna tidpunkt är detta fortfarande en hypotes, säger Babikov.
En bättre förståelse av rollen av massoberoende fraktionering i svavelkemin i den arkeiska jorden ger oss inte bara en bild av miljön på jorden före syresättning, men det berättar också om de potentiella biosignaturer som en liknande miljö på en exoplanet kan skapa.
"[Svavelisotoper] kan potentiellt fungera som en signatur på miljön som skapade liv på jorden, säger Babikov. Men, han säger, vår nuvarande nivå av teleskopteknik innebär att det skulle vara mycket svårt att bestämma isotopsammansättningen av en exoplanets atmosfär till den nödvändiga detaljnivån.
Studien, "Beräkningsanalys av vibrationslägen i tetra-svavel med hjälp av dimensionellt reducerad potentiell energiyta, " publicerades i tidskriften Molekylär fysik . Arbetet stöddes delvis av NASAAstrobiology genom Exobiologiprogrammet.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av NASAs Astrobiology Magazine. Utforska jorden och bortom på www.astrobio.net.
