Ocean Carbon imagé à l'échelle atomique

Le carbone océanique dissous (COD) dans l'océan est l'un des plus grands réservoirs de carbone réduit sur Terre. Il est environ 200 fois plus grand que la biosphère vivante et comparable en taille au CO₂ atmosphérique réservoir. En raison de sa complexité, moins de 10 pour cent du carbone organique dissous a été caractérisé. Il est important de comprendre ce qu'est ce bassin de carbone, afin que nous puissions prédire comment ce bassin de carbone réagira à l'augmentation des températures due au changement climatique.

Des scientifiques d'IBM Research – Zurich se sont associés à des océanographes chimistes de l'Université de Zurich, de l'Université de Californie à Irvine et de l'Université de Californie à Santa Cruz pour imager les molécules présentes dans le carbone organique dissous océanique. Cette méthode permet aux scientifiques marins d'examiner la structure de molécules individuelles dans les bassins océaniques profonds afin de mieux comprendre le cycle du carbone océanique. Notre recherche paraît aujourd'hui dans la revue à comité de lecture Geophysical Research Letters.

Matière mystérieuse

Alors que le carbone organique dissous provient principalement de la surface de l'océan à partir du phytoplancton moderne, paradoxalement, l'âge moyen (tel que déterminé par la datation au radiocarbone) est d'environ 2 400 ans plus vieux que prévu ! Cela indique qu'une partie du carbone survit à plusieurs cycles de mélange des océans profonds. Il existe plusieurs paradigmes débattus pour expliquer cette énigme. Une théorie majeure suggère que la longue persistance du carbone des océans profonds s'explique par sa structure chimique. Cependant, la structure du carbone organique dissous n'a jamais été imagée, jusqu'à présent.

À gauche :Image AFM utilisant une pointe fonctionnalisée en CO de 5,6,8-triméthyl-2,3-dihydro-1H-cyclopenta[b]naphtalène, une molécule trouvée dans les grands fonds océaniques. À droite :image AFM utilisant une extrémité fonctionnalisée en CO d'une molécule trouvée dans les profondeurs de l'océan Pacifique Nord.

Les outils émergents en chimie analytique ainsi que l'océanographie chimique font tomber les barrières pour mieux apprécier le carbone organique dissous en surface et en profondeur. La complexité des composés dans le carbone organique dissous est vaste. Ce bassin de carbone océanique contient plusieurs milliers de molécules différentes. Chez IBM, nous utilisons un microscope à force atomique (AFM) pour imager des molécules individuelles avec une résolution atomique afin d'identifier leur structure moléculaire - une méthode inventée par les scientifiques d'IBM en 2009.

De gauche à droite à droite, Leo Gross, IBM Research – Zurich; Alysha Inez Coppola, Université de Zurich; Fabian Schulz, IBM Research – Zurich et Shadi Fatayer, IBM Research – Zurich

Dans nos recherches, nous avons résolu des échantillons de carbone océanique dissous prélevés à la surface et dans les eaux profondes (2 500 m) du Pacifique Nord pour élucider la raison de la récalcitrance du carbone organique dissous dans les océans.

Nos résultats indiquent des différences significatives entre les molécules à la surface et celles en profondeur. Par comparaison, les molécules des eaux profondes sont plus planes et comportent moins de groupes aliphatiques que les molécules de surface. Ces résultats soutiennent les hypothèses selon lesquelles le vieillissement du carbone organique dissous des grands fonds océaniques est lié à sa récalcitrance structurelle.

Pourquoi devrions-nous nous soucier du carbone organique dissous ?

Le carbone organique dissous est un énorme réservoir de carbone, à peu près égal à la quantité de carbone dans notre atmosphère. Afin de comprendre le cycle du carbone et son évolution dans les océans avec des températures plus chaudes, nous devons comprendre la résistance derrière cet ancien réservoir de carbone organique dissous marin.

Dans un monde où les eaux océaniques sont de plus en plus polluées de jour en jour, et à la lumière de la Journée mondiale de l'environnement, cette méthode permettra aux scientifiques marins d'étudier les structures chimiques individuelles présentes dans les bassins océaniques, de mieux comprendre le cycle du carbone et de découvrir la « santé » de nos océans.

Visualisation directe des structures individuelles des composés aromatiques dans le carbone organique dissous marin de faible poids moléculaire , DOI :10.1029/2018GL077457