Визуализация растворенного океанческого углерода на атомном уровне

Растворенный органический углерод океана (DOC) — крупнейший на планете резервуар редуцированного углерода, примерно в 200 раз превышающий массу живой биосферы и сопоставимый с атмосферным пулом CO₂. Однако лишь около 10% DOC химически охарактеризовано, что оставляет критический пробел в предсказании реакции этого гигантского запаса на повышение температур и другие климатические стрессы.

В сотрудничестве между IBM Research — Цюрих и ведущими химическими океанографами из Цюрихского университета, UC Irvine и UC Santa Cruz исследователи впервые прообразили отдельные молекулы, составляющие DOC. Результаты, опубликованные в рецензируемом журнале Geophysical Research Letters, открывают новое окно в углеродный цикл океана.

Разгадка тайны древнего океанческого углерода

Хотя DOC в значительной степени происходит от поверхностного фитопланктона, радиоуглеродное датирование показывает, что его средний возраст на ~2400 лет старше ожидаемого, что подразумевает, что часть этого углерода выживает в множественных циклах глубоководного смешения. Одна из ведущих гипотез приписывает эту долговечность химической структуре DOC — гипотеза, которую до сих пор было невозможно проверить.

Междисциплинарное сотрудничество прорывает новый путь

Сочетая передовую аналитическую химию с морской наукой, команда применила атомно-силовую микроскопию (АФМ) для захвата отдельных молекул DOC с атомным разрешением — технику, разработанную учеными IBM в 2009 году. АФМ-изображения раскрывают точные структурные детали, определяющие поведение DOC в океане.

Исследовались пробы как с поверхности, так и с глубины 2500 м в Северном Тихом океане. Анализ показывает, что глубоководные молекулы более планарны и содержат меньше алифатических групп, чем поверхностные, что подтверждает идею, что структурная устойчивость подlies древнему возрасту глубокого DOC.

Почему DOC важен

DOC представляет углеродный запас, сопоставимый с атмосферой. Понимание его структурной стойкости необходимо для предсказания сдвигов в океанном углеродном цикле в потеплеющем мире, особенно пока загрязнение продолжает обременять морские экосистемы. Способность визуализировать отдельные молекулы дает мощный инструмент для оценки здоровья океана и руководства климатической политикой.

Direct visualization of individual aromatic compound structures in low molecular weight marine dissolved organic carbon, DOI: 10.1029/2018GL077457