Sciencemag.cz
Doporučujeme
Živé organismy fixují z neživé přírody nejen uhlík, ale jsou také závislé na přísunu dusíku. Dokážou sice přijímat anorganické dusičnany či amonné soli, jenže většina dusíku je na povrchu Země přítomna ve formě inertních molekul N2. Oxidy dusíku z nich vznikají de facto pouze bleskem (dostatek energie pro přímou reakci dusíku s kyslíkem).
Jednou z nejdůležitějších chemických reakcí, které provádí pozemský život, je proto převod molekuly N2 na dále zpracovatelné amonné ionty pomocí enzymu nitrogenázy. Zvládají to pouze některé bakterie včetně sinic (a pak nepřímo rostliny, které využívají příslušnou symbiózu). Nebýt této reakce, přísun využitelného dusíku do biosféry by byl velmi pomalý a její maximální objem mnohem menší.
V této souvislosti samozřejmě vzniká otázka, kdy v evoluci se fixace dusíku asi tak mohla objevit? A druhá související věc: původní pozemská atmosféra neobsahovala kyslík. Mohly zde vůbec blesky způsobit reakci molekul dusíku?
Vědci z University of St Andrews, Ústavu kosmického výzkumu Rakouské akademie věd ve Štýrském Hradci a z Brownovy univerzity nyní za účelem odpovědi na druhou otázku provedli sérii experimentů s jiskrovými výboji. Naplnili skleněné baňky vodou a různými směsmi plynů, které připomínají atmosféru současné a rané Země, a poté tyto směsi plynů vystavili elektrickému výboji o napětí téměř 50 000 voltů. Po ukončení pokusů autoři studie změřili složení plynné směsi a vody a zjistili v obou případech zvýšenou koncentraci oxidu dusnatého, dusitanů a dusičnanů. Dodávka dále zpracovatelného dusíku prvnímu životu byla tedy možná i v atmosféře s převahou směsi CO2/N2. Podobně to může fungovat i na jiných planetách.
Obdobně jako v případě uhlíku můžeme získat další informace o cestách dusíku také pomocí relativního zastoupení jednotlivých izotopů v různých vzorcích. Izotopové složení sloučenin získaných laboratorně přitom neodpovídá složení dusíku v horninovém záznamu rané Země. To znamená, že většina dusíku není výsledkem blesků. A protože jinou (třetí) fixaci de facto neznáme, zbývá nám jen biologická cesta. To znamená, že organismy dokázaly lapat vzdušný dusík již velmi záhy po vzniku života a prováděly to také ve velkém, takže horninový záznam je jejich dílem. Existuje však několik vzorků hornin z Isua Greenstone Belt v Grónsku, které jsou staré téměř 3,8 miliardy let a jejich izotopové složení by potenciálně mohlo být vysvětleno příspěvkem dusíku z blesků. V této době tedy možná biologická fixace byla omezená nebo ještě neprobíhala. Pro srovnání: fotosyntéze je stará asi 3,5 miliardy let, ale možná i více; původně neprodukovala ovšem kyslík. Záleží na tom, zda za fotosyntézu budeme pokládat reakci oxidu uhličitého s vodíkem někde ve váčcích v prostředí bílých kuřáků atp. Nicméně shrnout by se to celé dalo tak, že schopnost získávat oba klíčové prvky se mohla objevit přibližně ve stejné době.
Také tento výsledek má přesah směrem k astrobiologii. Můžeme se třeba podívat na izotopové složení dusičnanů na Marsu, zda odpovídá tomu, co získali vědci při simulaci blesku.
Patrick Barth et al, Isotopic constraints on lightning as a source of fixed nitrogen in Earth’s early biosphere, Nature Geoscience (2023). DOI: 10.1038/s41561-023-01187-2
Zdroj: University of St Andrews / Phys.org a další
Poznámka PH: Ovšem v redukčním prostředí mohl dusík možná reagovat i jinak, např. s vodíkem apod. za vzniku čpavku, i při nízké teplotě, třeba s nevalnou rychlostí reakce a malým výtěžkem, ale nějak přece. (A od této reakce by se pak odvozovala biologická fixace dusíku, podobně jako fotosyntéza je zřejmě zase odvozena od původně samovolně probíhající reakce oxidu uhličitého s vodíkem.)
