El Azufre Y El Surgimiento De La Primera Vida En La Tierra

Vida anaeróbica temprana Archean Eon

La química del azufre fue vital para la vida anaeróbica temprana en el eón Arcaico, hace más de 2.500 millones de años. Crédito: Peter Sawyer / Smithsonian Institution.

El mapeo de los enlaces y modos vibratorios de moléculas que contienen isótopos de azufre está ayudando a arrojar luz sobre las reacciones químicas que tuvieron lugar en la atmósfera de la Tierra durante la era Arcaica, antes de que la atmósfera se oxigenara hace unos 2.500 millones de años.

El Arcaico es un eón geológico que duró desde hace 4 mil millones de años hasta hace 2,5 mil millones de años. Vio el surgimiento de la primera vida en la Tierra, pero estos microbios eran anaeróbicos, lo que significa que no respiraban oxígeno. De hecho, durante este tiempo, la atmósfera de la Tierra no contenía oxígeno molecular. En cambio, la atmósfera era rica en carbono y, en particular, azufre.

El azufre en la atmósfera de la Tierra Arcaica fue emitido por la actividad volcánica y, a través de un proceso llamado fraccionamiento independiente de masa, los diversos isótopos del azufre (átomos de azufre que contienen el mismo número de protones pero diferentes números de neutrones) se enriquecieron de una manera que no se correlaciona su masa. La evidencia de que esto ocurrió se encuentra en depósitos superficiales que datan del Arcaico, y fueron estos isótopos de azufre, como parte de moléculas como el sulfuro de hidrógeno (H2S) y el dióxido de azufre (SO2), que los microbios metabolizaron, liberando oxígeno en el proceso y comenzando el proceso de oxigenación de la atmósfera terrestre, un desarrollo conocido como el Gran Evento de Oxigenación.

Debido a que el azufre se oxida rápidamente en un ambiente rico en oxígeno, y luego se elimina de la atmósfera por precipitación y se escurre al océano, la química del azufre de la vida arcaica primitiva se eliminó gradualmente y se perdió en el tiempo. Sin embargo, al comprender el proceso de fraccionamiento independiente de la masa, debería ser posible aprender más sobre la atmósfera de la Tierra preaxigenada y las condiciones en las que vivió la primera vida en la Tierra.

Aguas termales del Parque Nacional Yellowstone

Los extremófilos, como los termófilos que dan a las alfombras microbianas colores tan vivos en las aguas termales del Parque Nacional de Yellowstone, son un tema candente de estudio entre los astrobiólogos del Reino Unido. Crédito: Jim Peaco / Servicio de Parques Nacionales.

El proceso detrás del fraccionamiento de azufre independiente de la masa sigue siendo incierto, pero las dos hipótesis más populares son la fotólisis (la ruptura de moléculas) por la luz ultravioleta del Sol o las reacciones entre azufre elemental. “Sin embargo, el fenómeno, la reacción o el mecanismo real aún no se han identificado”, dice Dmitri Babikov, profesor de química física y física molecular en la Universidad de Marquette en Milwaukee, Wisconsin.

Enlaces moleculares del azufre

Babikov, junto con sus colegas de Marquette, Igor Gayday y Alexander Teplukhin, han publicado un nuevo artículo en la revista Molecular Physics que explora algunos de los enlaces moleculares de una molécula de azufre-4 (S4) y cómo estos enlaces afectan los modos vibracionales del molécula, que a su vez puede influir en el proceso de fraccionamiento independiente de la masa.

Identificaron un segundo enlace, previamente desconocido, que une las moléculas S2 (que contienen dos átomos de azufre) para formar S4. “Este segundo enlace mantiene la molécula apretada en una disposición [en forma de trapezoide] y no permite la rotación fácil de las dos moléculas S2 dentro de S4”, dice Babikov. A su vez, esta disposición de los átomos de azufre determina cómo se mueven cuando vibra la molécula S4.

Los estados vibracionales, o frecuencias, de la molécula S4 están determinados por la forma de la ‘superficie de energía potencial’ de la molécula, que describe la energía de los isótopos en la disposición trapezoidal de la molécula S4, y cómo las reacciones químicas cambian la energía potencial. de ese sistema. No solo el número de modos vibracionales, que implican el estiramiento y la compresión de los enlaces entre las moléculas S2, influyen en la velocidad de reacción, sino que también podrían ser sensibles a un isótopo dado, lo que podría ayudar a identificar la reacción química detrás de la masa independiente. fraccionamiento. “Pero en este punto, esto sigue siendo una hipótesis”, dice Babikov.

Una mejor comprensión del papel del fraccionamiento independiente de masas en la química del azufre de la Tierra Arquea no solo nos da una imagen del medio ambiente en la Tierra antes de la oxigenación, sino que también nos informa sobre las posibles biofirmas de un entorno similar en un exoplaneta podría crear.

“[Los isótopos de azufre] podrían potencialmente servir como una firma del medio ambiente que creó la vida en la Tierra”, dice Babikov. Sin embargo, dice, nuestro nivel actual de tecnología telescópica significa que sería muy difícil determinar la composición isotópica de la atmósfera de un exoplaneta con el nivel de detalle requerido.

Referencia: “Análisis computacional de modos vibracionales en tetra-azufre usando una superficie de energía potencial dimensionalmente reducida” por Igor Gayday, Alexander Teplukhin y Dmitri Babikov, 12 de febrero de 2019, Física Molecular .
DOI: 10.1080 / 00268976.2019.1574038

El estudio, “Análisis computacional de modos vibracionales en tetra-azufre usando una superficie de energía potencial dimensionalmente reducida”, fue publicado en la revista Molecular Physics . El trabajo fue apoyado en parte por NASA Astrobiología a través del Programa de Exobiología.

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