Levende organismer har brug for nitrogen som en central byggesten til proteindannelse, for eksempel. Selvom vores atmosfære indeholder masser af nitrogen, kan hverken mennesker eller langt de fleste planter absorbere det direkte fra luften.
Ligesom i dag var det tidlige liv på jorden derfor afhængig af nitrogenfiksering af mikrober. Med andre ord på deres omdannelse af atmosfærisk nitrogen til nitrogenforbindelser, som levende organismer kan absorbere og bruge.
Detaljerne om de processer, der fandt sted på jorden for milliarder for år siden, er langt fra kendt: hvad var kilderne til nitrogen på den tidlige jord? Hvordan blev de brugt? Og hvad betød dette for den videre udvikling af livet?
RPTU -forsker Dr. Michelle Gehringer arbejder på netop disse spørgsmål. Hun er geomicrobiolog – og studerer samspillet mellem mikroorganismer og geokemiske processer.
Nitrogenfiksering stabil under ændrede miljøforhold
Under hendes ledelse blev en målemetode for nylig verificeret, der viser, at biologisk nitrogenfiksering forbliver stabil under ændrede atmosfæriske sammensætninger. For at forstå forskerens tilgang er det vigtigt at vide, at nitrogen har to stabile isotoper, to forskellige tilstande så at sige, 15N og 14N.
Gehringer forklarer, “Nitrogengas er en blanding af lysatomet 14N og det tungere atom 15N. Når moderne mikrober bruger nitrogen i deres stofskifte, bruger de disse to isotoper i et bestemt forhold til hinanden. Vi måler dette ved at brænde nitrogenholdig biomasse og opsamle nitrogengassen produceret under forbrænding. “
Gehringer siger, “Indtil nu antages det altid, at mikrober har det samme 15N/14N -forholdet, selvom de lever under helt forskellige miljøforhold, uden ilt og med et meget højere kuldioxidindhold. Imidlertid har ingen endnu testet, om dette faktisk er sandt. “Men da miljøforholdene påvirker metaboliske satser, kunne de formodentlig også påvirke 15N/14N -forhold.
Forskerne dyrkede cyanobakterier under miljøforhold svarende til dem fra den tidlige jord, dvs. uden ilt og med et meget højt kuldioxidindhold. ”Vi fandt ud af, at 15N/14N -forhold af cyanobakterierne forbliver stabile. Vores resultater understøtter derfor antagelsen om, at dette forhold var det samme gennem jordens historie. “
Kvælstof absorberet også i form af opløst ammonium
Bygger på dette, Gehringer og andre forskere – under ledelse af hendes medforsker Dr. Ashley Martin fra Northumbria University, UK og Dr. Eva Stüeken fra University of St. Andrews, UK – undersøgte nitrogencyklussen i gamle stromatolitter, dvs. sedimentære rocks af organisk oprindelse.
De gamle klipper, der var omkring 2,7 milliarder år gamle, indeholder de døde rester af forskellige mikroorganismer og kan give forskerne information om deres økosystemer og miljømæssige nicher i tidligere tider. Gehringer siger, “Vi fik adgang til uberørt, uviltet klippe, som vi jordede i et fint pulver og analyserede for nitrogenisotoper.”
Ved hjælp af 15N/14N -forholdsmålinger opdagede forskerne, at i modsætning til moderne stromatolitter var det organiske materiale fra gamle stromatolitter ikke udelukkende afhængige af den biologiske fiksering af nitrogengas med cyanobakterier.
For at være mere præcis peger resultaterne af undersøgelsen på den yderligere optagelse af nitrogen i form af opløst ammonium. “Og den mest plausible kilde til dette er hydrotermisk aktivitet på havbunden,” siger Gehringer.
Forskerne kiggede også på sedimentære klipper i et vulkansk bassin, der også er omkring 2,7 milliarder år gammel. Ammonium fra hydrotermiske kilder viste sig også at være relevante i dette system.
Så ville livet på Mars også være muligt?
“Indtil nu blev det antaget, at livet på den tidlige jord, før atmosfæren blev beriget med ilt, var begrænset af en mangel på biologisk tilgængeligt nitrogen.” De aktuelle undersøgelser viser nu en yderligere rolle af ammonium fra dybhavshydrotermiske ventilationsåbninger.
“Ved hjælp af hydrotermiske ventilationsåbninger begrænsede kvælstof ikke spredningen af livet på den tidlige jord. Snarere var livet i stand til at blomstre i både dybe og lavvandede marine miljøer.” Og ifølge Gehringer muliggjorde dette udviklingen af en stor mangfoldighed af mikroorganismer, som vi stadig ser i dag.
Hvad kunne disse fund betyde for livet på andre planeter? “Hydrotermisk aktivitet er blevet dokumenteret på Mars og finder sandsynligvis også sted på de iskolde måner i det ydre solsystem.” Det kan tænkes, at processer, der ligner dem på den tidlige jord, fandt sted eller stadig finder sted der.
Forskningen offentliggøres i Naturkommunikation, Anvendt og miljømæssig mikrobiologiog Geologi.