Обычные молекулы, называемые лигандами, могут искажать результаты популярного химического индикатора, называемого изотопной системой хрома (Cr), который используется для тестирования слоев осадочных пород на предмет определения уровней кислорода в атмосфере в эпоху образования породы. Исследователи из Технологического института Джорджии продемонстрировали в лаборатории, что многие лиганды могли создавать сигнал, очень похожий на сигнал молекулярного кислорода.
«Есть некоторые географические места и древние ситуации, где могли генерироваться измеримые сигналы, которые не имели никакого отношения к тому, сколько кислорода было вокруг», — сказал Крис Рейнхард, один из ведущих авторов исследования. Хотя новое исследование может повлиять на оценку некоторых недавних результатов, это не значит, что инструмент бесполезен в целом.Инструмент для рок-записи«Мы не пытаемся революционизировать взгляд на инструмент», — сказал Юаньчжи Тан, соавтор исследования. «Речь идет о понимании его возможных ограничений, чтобы разумно использовать его в конкретных случаях».
Тан и Рейнхард, оба доцента кафедры биогеохимии Школы наук о Земле и атмосфере Технологического института Джорджии, опубликовали результаты своей команды в исследовании 17 ноября 2017 года в журнале Nature Communications. Их работа финансировалась Институтом астробиологии НАСА, программой НАСА по экзобиологии и Институтом Агурон.
«На глобальном уровне изотопная система хрома по-прежнему является отличным индикатором уровня кислорода в атмосфере на протяжении веков», — сказал Тан. «Проблема, которую мы обнаружили в лаборатории, носит более локальный характер с изолированными образцами, особенно в те времена, когда атмосферного кислорода было мало».Прыгающие лиганды
Без доминирующего присутствия кислорода лиганды, вероятно, станут отличным реактивным заменителем, как исследователи продемонстрировали в реакциях с хромом. Как и кислород, лиганды сильно притягивают электронные пары, что характеризует их как химическую группу.И, как реакции с кислородом, реакции с лигандами позволяют таким металлам, как хром, легче перемещаться по миру.
В данном случае исследователей интересовали органические лиганды, лиганды, содержащие углерод.Они были более склонны соответствовать влиянию подвижности кислорода на хром, из-за которого он превратился в сигналы в осадочных породах, которые сегодня ученые считают признаком древнего атмосферного кислорода.Вот примерно то, как работает изотопная система хрома, а также то, как органические лиганды могут приводить к ложным срабатываниям.
Хромовые американские горкиЗемля — ??это огромная химическая лаборатория, осуществляющая реакции в условиях, варьирующихся от арктического холода до вулканической жары и от сокрушительных глубин океана до верхних слоев атмосферы без давления. Ветры и волны охватывают материалы, такие как турбулентные конвейерные ленты, оседая некоторые из них в отложениях, которые позже превращаются в камень.
Билетом хрома на американские горки в осадочную породу обычно был окислитель, делавший его более растворимым и способным лучше плавать, а атмосферный кислород был идеальным окислителем. Химическая реакция, которая может быть обнаружена в исследовании и вовлекающая оксид марганца, передающий кислород в хром, будет немного похожа на добавление понтонов к соединениям хрома.
В течение миллиардов лет атмосфера Земли почти не содержала O2, но после того, как кислород начал увеличиваться, особенно в последние 800 миллионов лет, он стал доминирующим окислителем. А характеристики отложений хрома в древних слоях горных пород стали отличным индикатором того, сколько O2 было в атмосфере.
Сегодня исследователи проверяют образцы глубоких слоев горных пород на связь между двумя изотопами хрома, 52Cr, который на сегодняшний день является наиболее распространенным изотопом Cr, и 53Cr, чтобы получить представление о присутствии кислорода в разные геологические эпохи.«Вы измельчаете породу в порошок, растворяете ее кислотой, а затем измеряете отношение 53Cr к 52Cr в материале с помощью масс-спектрометрии», — сказал Рейнхард. «Это соотношение имеет значение, и оно будет контролироваться рядом сложных процессов, но, вообще говоря, повышенное содержание 53Cr в океанических отложениях обычно указывает на наличие кислорода в атмосфере».Между прочим, эти изотопы Cr стабильны и не подвергаются радиоактивному распаду, поэтому система не работает так, как работает радиоуглеродное датирование, которое основывается на распаде углерода 14.Химический самозванец
В лаборатории с небольшим набором органических лигандов группа Танга показала, что реакции хрома с лигандами приводят к сигналам 53Cr / 52Cr, которые очень похожи на сигналы, возникающие в результате кислородно-хромовых реакций.«Лиганды также обладают способностью мобилизовать хром», — сказал Тан. «Фактически, лиганды могут быть важным фактором в контроле сигналов изотопа хрома в определенных пластах горных пород».Органические лиганды, вероятно, существовали задолго до того, как атмосфера Земли заполнилась O2.
И сегодня, через сотни миллионов лет после того, как произошли реакции, практически невозможно узнать, действовали ли кислород или лиганды.Небольшие расхожденияЕсли не принимать во внимание, реакции лигандов могут исказить мелкие детали в записях горных пород об атмосферном кислороде, и они, возможно, уже сделали это.Подобно палеонтологам, которые каталогизируют кости древних животных и другие окаменелости, геологи хранят массивные оцифрованные архивы горных пород, которые они изучают, чтобы больше узнать о древней геологической истории Земли.
Ученые начали испытывать их физические образцы с изотопной системой Cr примерно в 2009 году и добавлять результаты в записи.«С тех пор возникли некоторые несоответствия», — сказал Рейнхард. «Слои древней почвы демонстрировали наличие кислорода, хотя, вероятно, его там не должно было быть. Другие образцы того же периода не показали этого сигнала».Но некоторые исследователи, столкнувшиеся со странными сигналами Cr, подумали, что, возможно, наткнулись на радикальную находку, и разработали объяснения того, как O2 мог быть на удивление обильным в уединенном месте, где образовался определенный слой породы, в то время как молекулярный кислород был скудным в остальном. земного шара.
Другие были озадачены тем, что уровни O2 в атмосфере, возможно, повысились намного раньше, чем указывали подавляюще обширные данные.«Многое из этого можно отнести к другим химическим процессам, а не к взаимодействию с кислородом», — сказал Рейнхард.
Исследование может служить поучительным рассказом о том, как просматривать данные изотопов Cr, особенно когда они появляются со страницы.