La firma única de la Tierra está en una rara molécula del nitrógeno

Dos átomos forman moléculas de N2 que se estima que permanecen en la atmósfera durante unos 10 millones de años antes de romperse y recombinarse. Y la gran mayoría del nitrógeno tiene una masa atómica de 14. Sólo alrededor del 0,4 por ciento son nitrógeno-15, un isótopo que contiene un neutrón adicional. Debido a que el nitrógeno-15 ya es raro, las moléculas de N2 que contienen dos nitrógeno-15, --a las que los químicos se refieren como 15N15N-- son las más raras de todas las moléculas de N2.

El nuevo estudio realizado por científicos de varias universidades estadounidenses muestra que 15N15N es 20 veces más enriquecido en la atmósfera terrestre de lo que se puede explicar por los procesos que ocurren cerca de la superficie de la Tierra.

"Creemos que el enriquecimiento 15N15N proviene fundamentalmente de la química en la atmósfera superior, en altitudes cercanas a la órbita de la Estación Espacial Internacional", explica Laurence Yeung, de la Universidad de Rice y autor principal de la investigación. "El tira y afloja viene de la vida tirando en la otra dirección, y podemos ver evidencia química de eso", añade.

El coautor Edward Young, profesor de ciencias planetarias y espaciales de la UCLA, señala que "el enriquecimiento de 15N15N en la atmósfera de la Tierra refleja un equilibrio entre la química del nitrógeno que ocurre en la atmósfera, en la superficie y en el planeta". "Es una firma es única para la Tierra, pero también nos da una pista sobre cómo podrían ser las firmas de otros planetas, especialmente si son capaces de soportar la vida tal como la conocemos", agrega.

Los procesos químicos que producen moléculas como N2 pueden cambiar las probabilidades de que se formen "agrupaciones de isótopos" como 15N15N. En un trabajo previo, Yeung, Young y sus colegas utilizaron grupos de isótopos en oxígeno para identificar las firmas reveladoras de la fotosíntesis en las plantas y la química del ozono en la atmósfera. El estudio del nitrógeno comenzó hace cuatro años cuando Yeung, un investigador postdoctoral de la UCLA, se enteró del espectrómetro de masas que se estaba instalando en el laboratorio de Young.

"En ese momento, nadie tenía una manera confiable de cuantificar 15N15N", indica Yeung, que se unió a la facultad de Rice en 2015. "Tiene una masa atómica de 30, al igual que el óxido nítrico. La señal del óxido nítrico por lo general supera la señal desde 15N15N en espectrómetros de masas", añade.

La diferencia en masa entre óxido nítrico y 15N15N es aproximadamente dos milésimas la masa de un neutrón. Cuando Yeung descubrió que la nueva máquina en el laboratorio de Young podía discernir esta pequeña diferencia, solicitó fondos de la National Science Foundation (NSF) para explorar exactamente cuánto 15N15N había en la atmósfera de la Tierra.

"Los procesos biológicos son de cientos a miles de veces más rápidos en el ciclo de nitrógeno a través de la atmósfera que los procesos geológicos", explica Yeung, que subraya que "si todo sigue igual, cabría esperar que la atmósfera refleje estos ciclos biológicos".

Para averiguar si este era el caso, los coautores Joshua Haslun y Nathaniel Ostrom de la Universidad Estatal de Michigan realizaron experimentos con bacterias que consumen N2 y producen N2 para determinar sus firmas 15N15N.

Estos experimentos sugirieron que uno debería ver un poco más de 15N15N en el aire que los emparejamientos aleatorios de nitrógeno-14 y nitrógeno-15 producirían, un enriquecimiento de aproximadamente 1 parte por 1.000, dice Yeung.

"Hubo un poco de enriquecimiento en los experimentos biológicos, pero no lo suficiente como para dar cuenta de lo que encontramos en la atmósfera --señala Yeung--. De hecho, significó que el proceso que causa el enriquecimiento atmosférico 15N15N tiene que luchar contra esta firma biológica. Están enzarzados en un tira y afloja".

El equipo finalmente descubrió que eliminar las mezclas de aire con electricidad, que simula la química de la atmósfera superior, podría producir niveles enriquecidos de 15N15N como los que se midieron en las muestras de aire. Las mezclas de gas nitrógeno puro produjeron muy poco enriquecimiento, pero las mezclas que se aproximan a la mezcla de gases en la atmósfera terrestre podrían producir una señal incluso más alta que la observada en el aire.

"Hasta ahora hemos probado muestras de aire natural desde el nivel del suelo y desde altitudes de 32 kilómetros, así como el aire disuelto de muestras de aguas oceánicas poco profundas --concluye--. Hemos encontrado el mismo enriquecimiento en todos ellos. Podemos ver el tira y afloja en todas partes".