Азот мав важливе значення в еволюції життя на ранній Землі, але його доступність активно обговорюється. Хоча попередні гіпотези припускали, що біологічно доступний азот обмежений, останні дослідження суперечать цьому уявленню. Дослідники, зокрема вчені з RPTU Університету Кайзерслаутерн-Ландау на південному заході Німеччини, вивчали, як азот вплинув на розвиток і поширення життя мільярди років тому.

Азот і походження життя

Азот є важливим елементом у всьому живому. Він необхідний для утворення амінокислот, будівельних блоків білків та інших біологічних сполук. Незважаючи на те, що атмосфера Землі сповнена газоподібного азоту, він не є легкодоступним для більшості живих організмів.

Деякі типи мікробів можуть перетворювати атмосферний азот у форми, придатні для використання іншими організмами – цей процес називається азотфіксацією. Але як стародавні мікроби отримували азот і чи був він у достатній кількості, щоб сприяти розвитку життя? Ось де дослідження під керівництвом дослідника RPTU Мішель Герінгер дає нам деякі підказки.

Фіксація азоту залишалася стабільною протягом тривалого часу

Вчені відстежували стабільність фіксації азоту в різних умовах середовища. Вони використовували метод, який виявляє ізотопи азоту в двох стабільних формах (¹⁵N і¹⁴ N), щоб відстежити процес фіксації азоту бактеріями.

«Азот — це суміш легкого атома¹⁴ N і важчого атома¹⁵ N. Коли сучасні мікроби використовують азот у своєму метаболізмі, вони використовують ці два ізотопи в певному співвідношенні один до одного. Ми вимірюємо це, спалюючи азотовмісну біомасу та збираючи газоподібний азот, який утворюється під час спалювання», – пояснив Герінгер.

До цього часу всі припускали, що мікроби зберігають те саме співвідношення ¹⁵ N:¹⁴ N у будь-яких умовах навколишнього середовища, навіть у щільній вуглекислим газом, без кисню стародавній атмосфері. Однак це припущення ніхто ніколи не перевіряв. Оскільки швидкість метаболізму залежить від умов навколишнього середовища, дослідники припустили, що співвідношення ізотопів азоту також може бути змінним.

Щоб перевірити це, Герінгер і його колеги культивували ціанобактерії в умовах, наближених до тих, що були на ранній Землі, без кисню та великої кількості вуглекислого газу.

«Ми виявили, що співвідношення ¹⁵ N: ¹⁴ N ціанобактерій залишається стабільним. Таким чином, наші результати підтверджують припущення, що це співвідношення було однаковим протягом всієї історії Землі», – пояснив Герінгер.

Стародавні скелі містять більше підказок

Після цього дослідження Герінгер працював з доктором Ешлі Мартін з Університету Нортумбрії та доктором Євою Стюкен з Університету Сент-Ендрюс. Фахівці взялися вивчити цикли азоту в стародавніх строматолітах – осадових породах, створених мікробами. Ці породи, вік яких оцінюється приблизно в 2,7 мільярда років, містять записи раннього життя та дозволяють зазирнути в далеке минуле Землі.

«Ми отримали доступ до незайманої, невивітреної породи, яку ми подрібнили в дрібний порошок і проаналізували на наявність ізотопів азоту», — сказав Герінгер.

Результати були несподіваними. На відміну від живих строматолітів, які повністю залежать від фіксації азоту ціанобактеріями, стародавні зразки вказують на вторинне джерело азоту – розчинений амоній.

«І найбільш правдоподібним джерелом цього є гідротермальна активність на морському дні», — заявив Герінгер.

Щоб перевірити цю гіпотезу далі, дослідники також проаналізували осадові породи у вулканічному басейні, вік яких також становить приблизно 2,7 мільярда років. Ці знахідки підтвердили той факт, що гідротермальний амоній був значним внеском у цикл азоту в той час.

Що це означає для життя поза Землею

Вчені давно досліджують чинники, які сформували поширення раннього життя на Землі. Однак це дослідження ставить під сумнів попередні припущення.

«Досі вважалося, що життя на ранній Землі, до того як атмосфера збагатилася киснем, була обмежена браком біологічно доступного азоту», — сказав Герінгер. «Завдяки гідротермальним джерелам азот не обмежив поширення життя на ранній Землі. Швидше, життя могло процвітати як у глибоководних, так і в мілководних морських середовищах».

Це відкриття має широке значення – як для того, що воно розкриває про історію нашої власної планети, так і для того, чи може існувати життя деінде.

«Гідротермальна активність була задокументована на Марсі та, ймовірно, також має місце на крижаних супутниках зовнішньої сонячної системи».

Якщо ті самі джерела азоту присутні за межами Землі, умови, які живили життя мікробів тут, можуть також існувати деінде у Всесвіті. Поточні дослідження не тільки заповнюють прогалини в історії Землі, але й розширюють наше розуміння того, де може існувати життя за межами нашої планети. Повний текст дослідження опубліковано в журналі Nature Communications .

Протягом десятиліть сейсмологи намагалися зрозуміти та передбачити землетруси, але точний прогноз залишається недосяжним. Тепер вчені досліджують цікаву можливу взаємодію між сонячною активністю та сейсмічними подіями. Використовуючи сучасні математичні моделі, дослідники виявили, що коливання сонячного тепла впливають на температуру поверхні Землі, що потенційно може впливати на тектонічні рухи. Цей ефект не є основною причиною землетрусів, але може покращити точність їхнього прогнозування. Якщо цей метод буде вдосконалено, він одного дня може допомогти заздалегідь попереджати про стихійні лиха та рятувати людські життя.

Як відбуваються землетруси

Сейсмологи добре розуміють основні механізми землетрусів: тектонічні плити рухаються, накопичують напругу, а потім раптово її вивільняють, викликаючи сейсмічні хвилі.

Однак передбачити точний час і місце землетрусу залишається великою проблемою. Через це багато міст залишаються вразливими до катастроф, подібних до землетрусу магнітудою 9.0 у Тохоку у 2011 році, який спричинив руйнівне цунамі та аварію на Фукусімській АЕС, забравши понад 18 000 життів. Останні дослідження розглядають, чи можуть Сонце та Місяць впливати на сейсмічну активність. Деякі наукові роботи припускають, що припливні сили або електромагнітні ефекти можуть взаємодіяти з земною корою, ядром і мантією, змінюючи закономірності землетрусів.

Сонячне тепло та його вплив на землетруси

Нове дослідження, опубліковане 4 березня в журналі Chaos видавництва AIP Publishing, проведене вченими Університету Цукуба та Національного інституту передових промислових наук і технологій Японії, розглядає вплив зміни температури, викликаної сонячним теплом, на сейсмічну активність.

Ця робота є продовженням дослідження 2022 року, в якому було знайдено зв’язок між активністю сонячних плям та сейсмічними подіями, що натякає на можливий причинно-наслідковий зв’язок.

«Сонячне тепло викликає зміни температури атмосфери, що може впливати на властивості гірських порід та рух підземних вод,» – пояснює автор дослідження Матеус Енріке Жункейра Салданья.

Ці процеси можуть впливати на землетруси декількома способами:

• Підвищена температура може робити гірські породи більш крихкими, що сприяє їх руйнуванню.
• Зміни у кількості опадів і танення снігу можуть змінювати тиск на межах тектонічних плит.

Хоча ці фактори не є головною причиною землетрусів, вони можуть допомогти краще передбачати їхню активність.

Новий підхід до прогнозування землетрусів

Використовуючи математичні та комп’ютерні моделі, дослідники порівняли дані про землетруси з показниками сонячної активності та температурою поверхні Землі.

Що вони виявили:

• Коли у модель додавали дані про температуру поверхні Землі, точність прогнозів зростала, особливо для поверхневих землетрусів.
• Це має сенс, оскільки тепло та вода переважно впливають на верхні шари земної кори.

Чи можливо створити нову модель прогнозування землетрусів?

Результати дослідження свідчать, що передача сонячного тепла до поверхні Землі дійсно впливає на сейсмічну активність, хоча й у незначній мірі. Об’єднання прогнозів сонячної активності з моделями температури Землі може допомогти у створенні точніших прогнозів землетрусів.

«Це перспективний напрямок, і ми сподіваємося, що наше дослідження допоможе краще зрозуміти загальну картину механізмів землетрусів,» – підсумував Салданья.