Laut einer neuen Studie von Forschern des University of St Andrews Center for Exoplanet Science könnte die Rolle des Blitzes bei der Bereitstellung von Stickstoff für das Leben auf der Erde relativ kurzlebig gewesen sein.
Obwohl Blitze als wichtige Quelle bioverfügbaren Stickstoffs für das Leben auf der frühen Erde angeführt werden, heißt es in der neuen Forschungsarbeit, die in der Fachzeitschrift veröffentlicht wurde Naturgeowissenschaftenzeigt, dass die Biosphäre unseres Heimatplaneten schnell von dieser Nährstoffquelle unabhängig wurde.
Diese Ergebnisse werden auch dabei helfen, die Quelle von Nitratablagerungen auf dem Mars und möglicherweise anderen Planeten und Monden in unserem Sonnensystem zu identifizieren.
Stickstoff ist ein Schlüsselelement für die Entstehung und Entwicklung des Lebens, wie wir es kennen. Wie heute lag Stickstoff in der Atmosphäre der frühen Erde hauptsächlich in Form unreaktiver N2-Moleküle vor, was den Organismen den einfachen Zugang zu dieser Ressource verwehrte.
Einige Mikroorganismen sind in der Lage, N2-Gas in bioverfügbare Formen wie Ammonium umzuwandeln, aber vor der Entstehung dieses Stoffwechsels müssen energetische Prozesse wie Blitze für die Spaltung dieser N2-Moleküle verantwortlich gewesen sein.
Um zu untersuchen, wie Blitze Stickstoff für Leben verfügbar machen können, führten Forscher der University of St Andrews zusammen mit Kollegen vom Weltraumforschungsinstitut (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz und der Brown University in den USA eine Reihe von Untersuchungen durch Funkenentladungsexperimente.
Sie füllten Glaskolben mit Wasser und verschiedenen Gasmischungen, die den Atmosphären der modernen und frühen Erde ähnelten, und setzten diese Gasmischungen dann einer elektrischen Entladung von fast 50.000 Volt aus. Nach den Experimenten maßen die Wissenschaftler die Zusammensetzung des Gasgemisches und des Wassers und stellten erhöhte Konzentrationen von Stickoxid, Nitrit und Nitrat fest.
Patrick Barth, Erstautor dieser Studie und Ph.D. Student am St Andrews Center for Exoplanet und am IWF sagte: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Blitze effizient Stickoxide in der CO2-reichen Atmosphäre erzeugen können, die wahrscheinlich auf der frühen Erde existierte. Dies stellt eine potenzielle Nährstoffquelle für das Leben zu dieser Zeit dar.“ und auf Planeten außerhalb unseres Sonnensystems.“
Allerdings stimmt die Isotopenzusammensetzung, die die Forscher in ihren Funkenexperimenten fanden, nicht mit der von Stickstoff überein, die in den Gesteinsaufzeichnungen der frühen Erde archiviert ist. Diese Diskrepanz lässt darauf schließen, dass Blitze bei der Entwicklung des mikrobiellen Lebens keine Hauptquelle für Stickstoff waren.
Stattdessen liefern diese Ergebnisse einen weiteren Beweis dafür, dass Mikroorganismen seit mehr als drei Milliarden Jahren in der Lage sind, N2-Gas in bioverfügbare Formen umzuwandeln.
Es gibt jedoch einige Gesteinsproben aus dem Isua-Grünsteingürtel auf Grönland, die fast 3,8 Milliarden Jahre alt sind und deren Isotopenzusammensetzung möglicherweise durch Stickstoffbeiträge von Blitzen erklärt werden könnte.
Dr. Eva Stüeken von der School of Earth and Environmental Sciences der University of St Andrews und Mitglied des St Andrews Center for Exoplanet Science sagte: „Dies deutet darauf hin, dass Blitze das früheste Leben auf der Erde unterstützt haben könnten. Jetzt, wo wir „Wenn wir die Isotopensignatur von Blitzen festgestellt haben, könnte dies dabei helfen, den Ursprung von Nitratablagerungen auf dem Mars zu untersuchen.“
Um die Auswirkungen der Ergebnisse zu vermitteln, hat das Team zusammen mit Künstlern eine Ausstellung erstellt, die ein Video von Patrick Barth über die Rolle von Blitzen auf Exoplaneten enthält. Die Forschung inspirierte auch zu einer Kurzgeschichte mit dem Titel „A Spark in a Flask“, die in der Science-Fiction-Anthologie „Around Distant Suns“ veröffentlicht wurde und die Geschichte eines Roboters erzählt, der sich um Funkenexperimente auf dem Mond kümmert.
Professorin Christiane Helling, Mitbegründerin des St Andrews Centre for Exoplanet Science und Direktorin des IWF, sagte: „Um unsere Wissenschaft zu vermitteln, ist es wichtig, die außergewöhnliche Einzigartigkeit der Erdatmosphäre im astronomischen Kontext widerzuspiegeln.“
Mehr Informationen:
Patrick Barth et al., Isotopenbeschränkungen für Blitze als Quelle für festen Stickstoff in der frühen Biosphäre der Erde, Naturgeowissenschaften (2023). DOI: 10.1038/s41561-023-01187-2