大气中的化学签名指向地表的生命特征

科技的进步终于能使研究人员可以测量出地球大气中某类罕见的氮气分子的数量；测量出的数值结果比科学家事先的估算要大得多。

令人惊讶的是，这套技术不仅可以告诉我们头顶的大气层中非常化学的那些东西，它还可以充当星球的化学签名，为我们提供一个直观的特征，我们可以用它来确定其他星球上的生命潜力。

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我们经常把大气的全部功劳归于其中的氮气，确实，我们每一次呼吸，枯燥乏味的古老氮气分子都会占其中的80％。

这些分子中的大多数原子的原子量是14，但是少于百分之一的氮原子实际上多出了一些额外的东西——加了一个中子，使它们成为一种叫做氮15的同位素。

偶尔有两个同位素会结合成一个氮气分子，给我们一个15N-15N分子。按道理，这种情况应该是非常罕见的，但直到最近，还没有人能通过可靠的手段来定量分析出这种结构是多么的非同寻常。

以前，如果利用质谱仪(一种根据质量与电荷之比来分类分子的装置)从空气中筛选同位素分子，结果一般会受到类似一氧化氮(NO)这种原子量为30的化学物质的干扰。

事实上，这两种化学分子在质量上的差别只有中子质量的千分之二。

一氧化氮是常见的污染物，也是许多地球化学反应的产物，仅占大气的一小部分。但是，它已经极大地扭曲了15N-15N分子的读数。

但是现在，加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员使用最先进的仪器来检测出了这种差异，发现这种重氮形式的分子其实很多。确切地说，比之前估计多了两个百分点。

“我们独一无二的全景质谱仪令我们首次认识到这一点。”地球化学家、研究的资深作者Edward Young说。“我们随后进行的实验表明，15N-15N过剩的唯一的解释是，在大气高层中发生了罕见的反应，2%的误差可不是一个小的数字。”

这些双氮-15分子的一个可能来源是生物的生化过程。通常在土壤中的反硝化细菌可以选择性地在环境中摄取硝酸盐并释放出氮气。

为了弄清楚他们是否需要对这2%负责，研究人员对两种反硝化菌和一种固氮菌进行了试验，看看是否可以解释数据和理论上的偏差。

来自休斯敦莱斯大学(Rice University)的地球科学家Laurence Yeung说：“在生物实验发现了一些丰富的内容，但还不足以解释我们在大气中发现的东西。”

另一组实验表明，氮气同位素分子可以在高压射频放电中生成，相当于模拟了深空中发生氮化学环境。

从平流层中析出并溶解于海水中的空气样本有助于确认这种氮气的来源。

Yeung说：“我们认为15N-15N分子基本上来自于大气层极高处的化学反应，那里是接近国际空间站轨道的高度。”

但是，这并不意味着它们对生物圈是毫无影响的。

Yeung说：“事实上，这意味着大气中15N-15N丰富化的过程必须与地表固氮的生物学特征相互对抗抵消。他们就像拔河比赛的两端。”

15N-15N的稳定比例似乎依赖固定和释放氮的微生物物种与大气上游的化学反应之间的一个平衡。

对于地球化学家来说，本次发现是我们对大气的化学分子汤动态特征的认识上的一次巨大飞跃。

“同时这也给了我们一个线索，让我们借此了解其他行星的生态特征可能是什么样子，特别是如果他们能够支持我们所知道的生命形式的话。”Yeung说。

寻找其他星球的大气成分的化学签名，无疑是一种方便的手段来了解地表的化学环境。最后可能我们会发现，地球环境的化学构成也不是那么独特。

这项研究发表在Science Advances。

本文译自 sciencealert，由 majer 编辑发布。