ไนโตรเจนอาจจะจำเป็นต่อชีวิตจากการประทุในอดีต

สายฟ้าฉีกไนโตรเจนในอากาศออกจากกัน ทำให้สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและธาตุอื่นๆ ได้

เมื่อหลายล้านปีก่อน การปะทุของภูเขาไฟครั้งใหญ่ในประเทศตุรกีและเปรูในปัจจุบัน ต่างก็ปล่อยไนเตรตหลายล้านเมตริกตันบนพื้นที่โดยรอบ สารอาหารดังกล่าวอาจมาจากฟ้าผ่าของภูเขาไฟ นักวิจัยรายงานเมื่อวันที่ 24 เมษายน ที่ประชุมสหภาพธรณีศาสตร์แห่งยุโรปในกรุงเวียนนา

การค้นพบนี้เพิ่มหลักฐานให้กับแนวคิดที่ว่า ในช่วงต้นของประวัติศาสตร์โลก ภูเขาไฟสามารถให้วัสดุบางอย่างที่ทำให้สิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นได้ Erwan Martin นักภูเขาไฟวิทยาจากมหาวิทยาลัยซอร์บอนน์ในปารีสกล่าว

ไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบสำคัญในโมเลกุลทางชีวภาพ เช่น โปรตีนและดีเอ็นเอ คิดเป็นร้อยละ 78 ของชั้นบรรยากาศ แต่โมเลกุลของไนโตรเจนในอากาศประกอบด้วยอะตอมของไนโตรเจนสองอะตอมที่จับกันแน่น เมื่ออะตอมเหล่านี้แยกออกจากกันเท่านั้นที่พวกมันจะทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นๆ และสร้างรูปแบบของไนโตรเจนที่มีประโยชน์ต่อชีวิต เช่น ไนเตรต

จุลินทรีย์ ome สามารถแยกโมเลกุลไนโตรเจนออกจากกันและให้ “ไนโตรเจนคงที่” แก่พืชและเชื้อรา นักเคมีของมนุษย์ก็สามารถทำได้เช่นกัน โดยสร้างปุ๋ย แต่ก่อนที่ชีวิตจะเริ่มต้นขึ้น ต้องมีกระบวนการที่ไม่ใช่ชีวภาพบางอย่างเข้ามามีบทบาท

Lightning เป็นตัวเต็งที่ชัดเจน Martin กล่าว การปล่อยประจุไฟฟ้าที่มีพลังมหาศาลเหล่านี้สามารถฉีกอะตอมของไนโตรเจนออกเป็นชิ้นๆ ซึ่งจะรวมตัวกับออกซิเจนเพื่อสร้างไนโตรเจนออกไซด์และไนเตรตในที่สุด

ฟ้าผ่าในพายุฝนฟ้าคะนองซึ่งเกิดจากอนุภาคน้ำแข็งชนกันและอัดประจุ ทำให้โมเลกุลของไนโตรเจนแยกออกจากกันทุกวัน แต่ในอัตราที่ต่ำและกระจายไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่ ควันไฟจากภูเขาไฟที่อนุภาคฝุ่นชนกันและพุ่งชนกัน สามารถให้ฟ้าผ่าเฉพาะที่ซึ่งมีความรุนแรงมาก ตัวอย่างเช่น ในช่วงหนึ่งวันของการปะทุของภูเขาไฟ Hunga Tonga-Hunga Ha’apai ในอินโดนีเซียในปี 2565 มีการระบายออกมาประมาณ 400,000 ครั้ง

แม้แต่ฟ้าผ่าจำนวนมากก็สร้างไนเตรตในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย แต่การปะทุขนาดใหญ่ที่หาได้ยาก ซึ่งเกิดขึ้นทุกๆ 100,000 ปีหรือมากกว่านั้น อาจสร้างความเสียหายได้มากกว่านั้น ความคิดที่ว่าเหตุการณ์ดังกล่าวสามารถสร้างและสะสมไนเตรตจำนวนมากได้นั้นไม่ใช่เรื่องใหม่ มาร์ตินกล่าว แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครตรวจสอบปริมาณไนโตรเจนของตะกอนภูเขาไฟจากการปะทุเหล่านี้

กลุ่มของเขาสุ่มตัวอย่างหินในตุรกีและเปรูซึ่งเชื่อมโยงกับการปะทุระเบิด 10 ครั้งที่เกิดขึ้นเมื่อ 20 ล้านถึง 1 ล้านปีก่อน สภาพอากาศที่ค่อนข้างแห้งของสถานที่ตั้งช่วยให้มั่นใจได้ว่าไนเตรตที่ก่อตัวขึ้นเมื่อนานมาแล้วซึ่งละลายได้ในน้ำจะไม่ถูกชะล้างออกไปจนหมดในตอนนี้

ไนเตรตที่นักวิจัยพบว่าประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนที่มีมวลต่างกัน ในสัดส่วนที่ใกล้เคียงกับอะตอมออกซิเจนสามอะตอมที่ประกอบกันเป็นโมเลกุลของโอโซนในอากาศ นี่แสดงให้เห็นว่าไนเตรตก่อตัวขึ้นในชั้นบรรยากาศและไม่ได้เกิดจากกระบวนการบางอย่างบนพื้นดิน ทีมงานกล่าว

จากการสุ่มตัวอย่าง นักวิจัยประเมินว่าโดยเฉลี่ยแล้วการปะทุแต่ละครั้งจะมีไนเตรตสะสมอยู่ประมาณ 60 ล้านตัน

ชีวิตอาจเริ่มต้นขึ้นเมื่อประมาณ 3.7 พันล้านปีก่อน นานก่อนการปะทุที่มาร์ตินและเพื่อนร่วมงานศึกษา

แต่ปีแรก ๆ ของโลกเต็มไปด้วยภูเขาไฟที่รุนแรง นักวิจัยบางคนคิดว่าฟ้าผ่าเหนือเกาะภูเขาไฟ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีบทบาทในการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิต ก่อนที่ทวีปต่างๆ จะก่อตัวขึ้นอย่างสมบูรณ์ มาร์ตินกล่าวว่าบนโลกอายุน้อย ไนเตรตในปริมาณที่ใกล้เคียงกับที่ประเมินไว้ในการศึกษาครั้งใหม่อาจถูกผลิตขึ้นบนเกาะดังกล่าว นับตั้งแต่จมอยู่ใต้น้ำเป็นเวลานาน

แนวคิดของการศึกษานี้น่าสนใจ เจฟฟรีย์ บาดา นักเคมีทางทะเลแห่งสถาบันสมุทรศาสตร์สคริปส์ในลาจอลลา รัฐแคลิฟอร์เนีย กล่าว แต่เขาคิดว่านักวิจัยควรพูดถึงองค์ประกอบต่างๆ ของชั้นบรรยากาศในช่วงเวลาที่สิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นเป็นครั้งแรก

“ในโลกปัจจุบัน ฟ้าผ่าบนเกาะภูเขาไฟก่อให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์จำนวนมาก” บาดากล่าว “แต่ในยุคแรกของโลก เมื่อบรรยากาศมีออกซิเจนน้อย ผลิตภัณฑ์น่าจะเป็นแอมโมเนีย” เช่นเดียวกับไนเตรต แอมโมเนียเป็นรูปแบบหนึ่งของไนโตรเจนที่นำไปใช้ได้ทางชีวภาพ

แต่มาร์ตินกล่าวว่าในปล่องภูเขาไฟ มีน้ำจำนวนมากและสารประกอบออกซิเจนอื่นๆ ที่มาจากแมกมา ซึ่งอาจให้ออกซิเจนบางส่วนได้ และในช่วงแรกๆ นั้น เขากล่าวว่า “บางทีมันอาจจะไม่ใช่ไนเตรตแต่เป็นแอมโมเนีย — มันยังคงเป็นไนโตรเจนที่มีอยู่ตลอดชีวิต สิ่งเหล่านี้ยังเป็นสิ่งที่ต้องศึกษาต่อไป”

นิวตริโนบอกใบ้ว่าดวงอาทิตย์มีคาร์บอนและไนโตรเจนมากกว่าที่คิดไว้

การหาส่วนประกอบของดาวฤกษ์ของเรามีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจจักรวาลทั้งหมด

หลังจากสองทศวรรษแห่งการโต้เถียงกัน นักวิทยาศาสตร์ก็ใกล้จะค้นพบว่าดวงอาทิตย์และเอกภพทั้งหมดเกิดจากอะไร

ดวงอาทิตย์ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นส่วนใหญ่ นอกจากนี้ยังมีธาตุที่หนักกว่า เช่น ออกซิเจนและคาร์บอน แต่ปริมาณเท่าไรก็ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ นักวิจัยรายงานเมื่อวันที่ 31 พ.ค. ที่ arXiv.org การสังเกตการณ์อนุภาคย่อยของอะตอมคล้ายผีที่รู้จักกันในชื่อ นิวตริโน บ่งชี้ว่าดวงอาทิตย์มี “โลหะ” เพียงพอ ซึ่งเป็นคำที่นักดาราศาสตร์ใช้กับธาตุทั้งหมดที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม

Livia Ludhova นักฟิสิกส์จาก Research Center Jülich ในเยอรมนี กล่าวว่า ผลลัพธ์ “เข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับ [a] ความเป็นโลหะสูง” สำหรับดวงอาทิตย์

ธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียมมีความสำคัญต่อการสร้างดาวเคราะห์หิน-เหล็ก เช่น โลก และดำรงไว้ซึ่งรูปแบบชีวิตเช่นมนุษย์ ธาตุเหล่านี้มีอยู่มากที่สุดในเอกภพคือออกซิเจน รองลงมาคือคาร์บอน นีออนและไนโตรเจน

แต่นักดาราศาสตร์ไม่ทราบแน่ชัดว่าองค์ประกอบเหล่านี้มีอยู่มากน้อยเพียงใดเมื่อเทียบกับไฮโดรเจน ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่พบมากที่สุดในเอกภพ นั่นเป็นเพราะโดยปกติแล้วนักดาราศาสตร์จะใช้ดวงอาทิตย์เป็นจุดอ้างอิงในการวัดปริมาณธาตุในดาวฤกษ์และกาแล็กซีอื่นๆ และเทคนิคสองอย่างก็บ่งบอกถึงองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันมากสำหรับดาวของเรา

เทคนิคหนึ่งใช้ประโยชน์จากการสั่นสะเทือนภายในดวงอาทิตย์เพื่ออนุมานโครงสร้างภายในและสนับสนุนเนื้อหาที่เป็นโลหะสูง เทคนิคที่สองกำหนดองค์ประกอบของดวงอาทิตย์จากการดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นบางช่วงของอะตอมบนพื้นผิว เมื่อสองทศวรรษที่แล้ว การใช้เทคนิคที่สองนี้ชี้ให้เห็นว่าระดับออกซิเจน คาร์บอน นีออน และไนโตรเจนในดวงอาทิตย์ต่ำกว่าที่ตรวจพบก่อนหน้านี้ 26 ถึง 42 เปอร์เซ็นต์ ทำให้เกิดความขัดแย้งในปัจจุบัน

เทคนิคอื่นได้เกิดขึ้นแล้วซึ่งสามารถตัดสินข้อถกเถียงอันยาวนานได้: การใช้นิวตริโนจากแสงอาทิตย์

อนุภาคเหล่านี้เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในแกนกลางของดวงอาทิตย์ที่เปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม ประมาณร้อยละ 1 ของพลังงานของดวงอาทิตย์มาจากปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน ซึ่งเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม แต่ไม่ถูกนำไปใช้ในกระบวนการนี้ ดังนั้น ยิ่งดวงอาทิตย์มีคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนมากเท่าไร วัฏจักร CNO นี้ควรปล่อยนิวตริโนออกมามากเท่านั้น

ในปี 2020 นักวิทยาศาสตร์ประกาศว่า Borexino ซึ่งเป็นเครื่องตรวจจับใต้ดินในอิตาลี ตรวจพบนิวตริโน CNO เหล่านี้ ตอนนี้ Ludhova และเพื่อนร่วมงานของเธอได้บันทึกนิวตริโนมากพอที่จะคำนวณว่าอะตอมของคาร์บอนและไนโตรเจนรวมกันมีประมาณ 0.06 เปอร์เซ็นต์ของอะตอมไฮโดรเจนในดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นการใช้นิวตริโนเป็นครั้งแรกในการพิจารณาองค์ประกอบของดวงอาทิตย์

และแม้ว่าตัวเลขดังกล่าวจะฟังดูน้อย แต่ก็สูงกว่าจำนวนที่นักดาราศาสตร์สนับสนุนดวงอาทิตย์ที่เป็นโลหะสูง และมากกว่าจำนวนที่ดวงอาทิตย์โลหะต่ำควรมีถึง 70 เปอร์เซ็นต์

“นี่เป็นผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม” Marc Pinsonneault นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโอไฮโอสเตตในโคลัมบัส ผู้ซึ่งสนับสนุนดวงอาทิตย์ที่มีโลหะสูงมาเป็นเวลานานกล่าว “พวกเขาสามารถแสดงให้เห็นได้อย่างชัดเจนว่าสารละลายโลหะต่ำในปัจจุบันไม่สอดคล้องกับข้อมูล”

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความไม่แน่นอนทั้งจำนวนนิวตริโนที่สังเกตได้และที่คาดการณ์ไว้ Borexino จึงไม่สามารถแยกแยะดวงอาทิตย์ที่มีโลหะต่ำได้อย่างเต็มที่ Ludhova กล่าว

งานใหม่นี้เป็น “การปรับปรุงที่สำคัญ” Gaël Buldgen นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเจนีวาในสวิตเซอร์แลนด์กล่าวซึ่งชื่นชอบดวงอาทิตย์ที่มีโลหะต่ำ แต่จำนวนนิวตริโนของ CNO ที่ทำนายได้นั้นมาจากแบบจำลองของดวงอาทิตย์ที่เขาวิจารณ์ว่าง่ายเกินไป แบบจำลองเหล่านั้นละเลยการหมุนของดวงอาทิตย์ ซึ่งอาจทำให้เกิดการผสมขององค์ประกอบทางเคมีตลอดอายุของมัน และเปลี่ยนปริมาณของคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนใกล้กับใจกลางดวงอาทิตย์ ซึ่งส่งผลให้จำนวนนิวตริโน CNO ที่คาดการณ์ไว้เปลี่ยนไป Buldgen กล่าว

จำเป็นต้องมีการสังเกตการณ์นิวตริโนเพิ่มเติมสำหรับคำตัดสินขั้นสุดท้าย Ludhova กล่าว Borexino ปิดตัวลงในปี 2564 แต่การทดลองในอนาคตสามารถเติมเต็มช่องว่างได้

เดิมพันสูง “เรากำลังโต้เถียงกันว่าเอกภพทำมาจากอะไร” Pinsonneault กล่าว เพราะ “ดวงอาทิตย์เป็นเกณฑ์มาตรฐานสำหรับการศึกษาทั้งหมดของเรา”

ดังนั้นหากดวงอาทิตย์มีคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนมากกว่าที่คิดในปัจจุบัน จักรวาลทั้งหมดก็เช่นกัน “นั่นเปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิธีสร้างองค์ประกอบทางเคมี มันเปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิวัฒนาการของดวงดาวและการเกิดและตายของมันอย่างไร” Pinsonneault กล่าว และเขากล่าวเสริมว่า นี่เป็นเครื่องเตือนใจว่าแม้แต่ดาวที่ได้รับการศึกษาดีที่สุดอย่างดวงอาทิตย์ของเราก็ยังมีความลับ

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ etvsoft.com