Visualisation du carbone dissous océanique à l'échelle atomique

Le carbone organique dissous (COD) est le plus grand réservoir de carbone réduit de la planète, environ 200 fois la masse de la biosphère vivante et comparable au stock de CO₂ atmosphérique. Pourtant, seulement environ 10 % du COD a été caractérisé chimiquement, laissant un manque de connaissance critique pour prédire comment ce vaste stock réagira à la hausse des températures et aux autres contraintes du changement climatique.

Dans une collaboration entre IBM Research – Zurich et des chimistes océanographes de premier plan de l'Université de Zurich, d'UC Irvine et d'UC Santa Cruz, des chercheurs ont, pour la première fois, imager les molécules individuelles qui composent le COD. Les résultats, publiés dans la revue à comité de lecture Geophysical Research Letters, ouvrent une nouvelle fenêtre sur le cycle du carbone océanique.

Perçant le mystère du carbone océanique ancien

Bien que le COD provienne largement du phytoplancton de surface, la datation au radiocarbone montre que son âge moyen est d'environ 2 400 ans plus vieux que prévu, ce qui implique qu'une fraction de ce carbone survit à de multiples cycles de mélange des eaux profondes. Une hypothèse majeure attribue cette longévité à la structure chimique du COD, une hypothèse qui n'avait pas pu être testée jusqu'à présent.

À gauche : image AFM du 5,6,8-triméthyl-2,3-dihydro-1H-cyclopenta[b]naphtalène, une molécule des grands fonds. À droite : image AFM d'une molécule du Pacifique Nord profond.

Une collaboration interdisciplinaire ouvre de nouvelles voies

Combinant chimie analytique avancée et sciences marines, l'équipe a employé la microscopie à force atomique (AFM) pour capturer des molécules individuelles de COD à la résolution atomique — une technique pionnière des scientifiques d'IBM en 2009. Les images AFM révèlent les détails structuraux précis qui déterminent le comportement du COD dans l'océan.

De gauche à droite : Leo Gross (IBM Research – Zurich) ; Alysha Inez Coppola (Université de Zurich) ; Fabian Schulz (IBM Research – Zurich) ; Shadi Fatayer (IBM Research – Zurich).

Des échantillons provenant à la fois de la surface et de 2 500 m de profondeur dans le Pacifique Nord ont été examinés. L'analyse montre que les molécules des eaux profondes sont plus planes et contiennent moins de groupes aliphatiques que les molécules de surface, soutenant l'idée que la récalcitrance structurelle sous-tend l'âge ancien du COD profond.

Pourquoi le COD est important

Le COD représente un stock de carbone comparable à l'atmosphère. Comprendre sa résilience structurelle est essentiel pour prédire comment le cycle du carbone océanique évoluera dans un monde qui se réchauffe, surtout alors que la pollution continue de peser sur les écosystèmes marins. La capacité de visualiser des molécules individuelles offre un outil puissant pour évaluer la santé des océans et orienter la politique climatique.

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