A vulkánoknak nagy szerepe lehetett az élet kialakulásában. Az élő szervezetek, a magasra törő zsiráfoktól a földalatti baktériumokig, létfontosságú biokémiai folyamatokban támaszkodnak a nitrogénre. Az aminosavak, az RNS, a DNS és a klorofill mind tartalmazzák ezt az alapvető elemet. Annak ellenére, hogy a nitrogén a Föld légkörének közel 80%-át teszi ki, a legtöbb élőlény nem tudja közvetlenül felhasználni a légköri nitrogéngázt (N₂), mivel erős hármas kötése miatt inaktívvá válik.
A rejtély, hogy hogyan alakulhatott ki a nitrogénfüggő élet egy ilyen nitrogénben gazdag, de biológiailag hozzáférhetetlen környezetben, évek óta fejtörést okoz a tudósoknak. A legújabb kutatások szerint azonban a válasz a Föld korai vulkánjainak tüzes belsejében rejlik — számolt be róla a SciShow.
A légköri nitrogén hozzáférhetetlensége
A nitrogéngáz két nitrogénatomból áll, amelyeket három erős kémiai kötés tart össze, így nagyrészt inaktív. Ez azt jelenti, hogy a legtöbb szervezet nem tudja közvetlenül felhasználni. Ahhoz, hogy hozzáférhetővé váljon, a nitrogénnek “fixálódnia” kell – más formává kell átalakulnia. Míg az ember ezt műtrágyák előállítása során iparilag valósítja meg, a természetben a nitrogénmegkötés két elsődleges folyamatra támaszkodik.
A villám hatalmas energiájával képes a nitrogénkötéseket megbontani, nitrogén-oxidokat létrehozva, amelyek az esővel a földre hullanak. Ez azonban a szervezetek számára évente rendelkezésre álló nitrogénnek csak mintegy 1%-át teszi ki. A nitrogénmegkötés nagy részét baktériumok és archaea baktériumok végzik, amelyek kifejlesztették a nitrogén hármas kötéseinek felbontására való képességet, és a N₂-t ammóniává alakítják, amelyet más baktériumok nitrátokká és nitritekké alakítanak, amelyeket a növények és más szervezetek használhatnak.
A nitrogénmegkötés eredete: A geológiai rejtély
Továbbra is megoldatlan az az alapvető kérdés, hogy hogyan kezdődött a nitrogénmegkötés a Földön. Széles körben elterjedt nézet, hogy a kezdeti nitrogénmegkötésnek nem biológiai úton kellett történnie, de konkrét geológiai bizonyíték ennek alátámasztására kevés van.
Az egyik elmélet szerint a vulkánkitörések nitrogént juttattak a légkörbe, amelyet aztán a villámok és meteorbecsapódások nitrogén-oxiddá alakítottak, ami a vízzel és a fénnyel való reakciókon keresztül nitrátok és nitritek kialakulásához vezetett. Ez a folyamat azonban rendkívül lassú lett volna a nitrogénmegkötés jelenlegi sebességéhez képest.
Egy másik hipotézis szerint a nitrogén megkötése akkor történhetett, amikor a légköri nitrogén magas hőmérsékleten, hidrotermális nyílások közelében vas- vagy vas-szulfid-ásványokkal lépett reakcióba. Közvetlen megfigyelések azonban nem támasztják alá ezt az elméletet.
Egy nemrégiben készült tanulmány egy meggyőző hipotézist kínál: a jelentős villámlást okozó vulkánkitörések kulcsfontosságúak lehettek a korai nitrogénmegkötés szempontjából. A vulkáni villámlásokat a vulkáni füstben összeütköző hamu- és kőzetrészecskék okozzák, amelyek elektromos töltéseket generálnak. Egy 2022-es kitörés például hat óra alatt 400 000 villámcsapást eredményezett.
A vulkáni lerakódásokból származó bizonyítékok
A kutatók Törökországban és Peruban található ősi vulkánokból származó lerakódásokat vizsgáltak, eredetileg egy szulfátokra összpontosító éghajlati tanulmányhoz. Váratlanul nagy mennyiségű kötött nitrogént találtak. E megállapítások megerősítése érdekében összehasonlították őket egy újabb olaszországi kitörésből származó lerakódásokkal, kizárva az életkort vagy a száraz éghajlatot mint tényezőt.
A lerakódásokban lévő oxigén izotópos összetételének elemzésével megállapították, hogy a nitrogénnek a légkörben kellett rögzülnie, valószínűleg villámlással. Ez a felfedezés azt sugallja, hogy a vulkánkitörések, a bőséges villámlással, döntő szerepet játszhattak a biológiailag hozzáférhető nitrogén létrehozásában a korai Földön.
A kutatók becslése szerint egyetlen hatalmas vulkánkitörés körülbelül 60 teragramm (60 milliárd kilogramm) nitrogént tudott megkötni, ami messze meghaladja a zivatarok villámlásának kapacitását. Ez a hatalmas mennyiségű rögzített nitrogén beáramlása, a vulkáni hamuból származó más alapvető ásványi anyagokkal együtt, biztosíthatta a korai élet beindításához szükséges tápanyagokat.
Összefoglalva, úgy tűnik, hogy a vulkánkitörések és a hozzájuk kapcsolódó villámlások a Föld nitrogénciklusának eredetének megértésében a kirakós játék kritikus darabja. Ezek a tüzes jelenségek biztosíthatták a nitrogénmegkötéshez szükséges feltételeket, lehetővé téve az élet kialakulását bolygónkon.
Ezeket a cikkeket is érdemes elolvasni:
