Πώς το θείο βοήθησε να γίνει η Γη κατοικήσιμη πριν την εμφάνιση του οξυγόνου

Η χαρτογράφηση των δεσμών και των τύπων δόνησης των μορίων που περιέχουν τα ισότοπα του θείου βοηθάει να ριχθεί φως στις χημικές αντιδράσεις που έλαβαν χώρα στην ατμόσφαιρα της Γης κατά τη διάρκεια της Αρχαιοζωικής εποχής, πριν η ατμόσφαιρα οξυγονωθεί, περίπου πριν από 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Η εποχή αυτή είναι ένας γεωλογικός (μεγα)αιώνας (ο Αρχαιοζωϊκός) που διήρκησε από 4 δισεκατομμύρια χρόνια μέχρι 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Τότε έγινε η ανάδυση της πρώτης ζωής στη Γη, όμως αυτά τα μικρόβια ήταν αναερόβια, που σημαίνει ότι δεν ανέπνεαν οξυγόνο. Στην πραγματικότητα, κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής διάρκειας, η ατμόσφαιρα της Γης δεν περιείχε κανένα μόριο οξυγόνου. Αντί αυτού, η ατμόσφαιρα ήταν πλούσια με άτομα όπως του άνθρακα και ιδίως του θείου.

Το θείο στην ατμόσφαιρα της Γης στον Αρχαιοζωικό αιώνα αναδύθηκε από τη ηφαιστειακή δραστηριότητα και μέσω μιας διαδικασίας που αποκαλείται ανεξάρτητη (της) μάζας κλασματοποίηση (mass independent fractionation), τα διάφορα ισότοπα θείου (άτομα θείου που περιέχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων) εμπλουτίστηκαν με έναν τρόπο που δεν συσχετίζονταν με τη μάζα τους. Στοιχεία ότι συνέβη αυτό βρέθηκαν στις επιφανειακές αποθέσεις που χρονολογούνται πίσω στον Αρχαιοζωικό και ήταν αυτά τα ισότοπα θείου, ως μέρη μορίων όπως υδρόθειο (H2S) και διοξείδιο του θείου (SO2), που μεταβόλιζαν τα μικρόβια απελευθερώνοντας οξυγόνο στο πλαίσιο της διαδικασίας και ξεκινώντας τη διαδικασία οξυγόνωσης της ατμόσφαιρας της Γης – μια εξέλιξη που αναφέρεται ως Γεγονός της Μεγάλης Οξείδωσης.

Επειδή το θείο οξειδώνεται γρήγορα σε ένα πλούσιο σε οξυγόνο περιβάλλον και στη συνέχεια απομακρύνεται από την ατμόσφαιρα με την κατακρήμνιση και απόρριψη στον ωκεανό, η χημεία του θείου της πρώιμης Αρχαιοζωικής ζωής καταργήθηκε σταδιακά και χάθηκε με τον χρόνο. Ωστόσο, κατανοώντας τη διαδικασία της ανεξάρτητης (της) μάζας κλασματοποίησης, θα ήταν δυνατόν να μάθουμε περισσότερα σχετικά με την ατμόσφαιρα της προ-οξυγονωμένης Γης και τις συνθήκες στις οποίες έζησε η πρώτη ζωή στη Γη.

Η διεργασία πίσω από τη ανεξάρτητη (της) μάζας κλασματοποίηση του θείου παραμένει αβέβαιη, όμως οι δυο πιο δημοφιλείς υποθέσεις είναι είτε η φωτόλυση (ο διαχωρισμός των μορίων) με την υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου ή οι αντιδράσεις μεταξύ στοιχειακού θείου. «Ωστόσο, το πραγματικό φαινόμενο, αντίδραση ή μηχανισμός είναι ακόμη υπό αναγνώριση», λέει ο Dmitri Babikov, Καθηγητής Φυσικοχημείας και μοριακής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Marquette στο Milwaukee, του Wisconsin.

Μοριακοί δεσμοί του θείου

Ο Babikov, μαζί με τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο, Igor Gayday και Alexander Teplukhin, έχουν δημοσιεύσει μια νέα μελέτη στο περιοδικό Molecular Physics που ερευνά ορισμένους από τους μοριακούς δεσμούς ενός μορίου θείου-4 (S4) και πώς αυτοί οι δεσμοί επηρεάζουν τους τύπους δόνησης του μορίου, που στη συνέχεια μπορεί να επηρεάζουν της διαδικασία της ανεξάρτητης (της) μάζας κλασματοποίησης.

Αναγνώρισαν έναν δεύτερο, άγνωστο προηγουμένως, δεσμό που συνδέει μαζί μόρια S2 (που περιέχουν δυο άτομα θείου) για να σχηματιστεί S4. «Αυτός ο δεύτερος δεσμός κρατά το μόριο γερά σε μια (τραπεζοειδούς σχήματος) διευθέτηση και δεν επιτρέπει εύκολη περιστροφή των δυο μορίων S2 μέσα στο S4», αναφέρει ο Babikov. Στη συνέχεια, αυτή η διευθέτηση των ατόμων θείου μετά προσδιορίζει πώς κινούνται καθώς το μόριο S4 δονείται.

Οι καταστάσεις δόνησης, ή οι συχνότητες, του μορίου S4 προσδιορίζονται τόσο από το σχήμα της «δυναμικής ενέργειας επιφάνειας» του μορίου, που περιγράφει την ενέργεια των ισοτόπων στην τραπεζοειδή διευθέτηση του μορίου S4, όσο και πώς οι χημικές αντιδράσεις αλλάζουν τη δυναμική ενέργεια αυτού του συστήματος. Όχι μόνο ο αριθμός των τύπων δόνησης, που περιλαμβάνουν τέντωμα και συμπίεση των δεσμών μεταξύ των μορίων S2, έχουν επίπτωση στο ρυθμό αντίδρασης, αλλά θα μπορούσε επίσης να είναι ευαίσθητοι σε ένα δεδομένο ισότοπο, που θα μπορούσε να βοηθήσει να προσδιοριστεί η χημική αντίδραση πίσω από την ανεξάρτητη (της) μάζας κλασματοποίηση. «Όμως σε αυτό το σημείο, αυτό είναι ακόμη μια υπόθεση», λέει ο Babikov.

Η καλύτερη κατανόηση του ρόλου της ανεξάρτητης (της) μάζας κλασματοποίηση στη χημεία του θείου της Αρχαιοζωικής Γης όχι μόνο μας δίνει μια εικόνα του περιβάλλοντος στη Γη πριν την οξυγόνωση, αλλά μας λέει επίσης σχετικά με τις δυνητικές βιο-υπογραφές, ενός παρόμοιου περιβάλλοντος, που θα μπορούσαν να δημιουργηθούν σε έναν εξωπλανήτη.

«[Τα ισότοπα θείου] θα μπορούσε δυνητικά να εξυπηρετήσουν ως μια υπογραφή του περιβάλλοντος που δημιούργησε ζωή στη Γη», αναφέρει ο Babikov. Ωστόσο, λέει, το τρέχον επίπεδο της τηλεσκοπικής τεχνολογίας μας σημαίνει ότι είναι πολύ δύσκολο να προσδιοριστεί η ισοτοπική σύνθεση της ατμόσφαιρας ενός εξωπλανήτη για το απαιτούμενο επίπεδο λεπτομέρειας.