In het populaire kinderverhaal "Horton Hears a Who!" auteur Dr. Seuss vertelt over een zachtaardige en beschermende olifant die struikelt over een stofje dat een gemeenschap van microscopisch kleine wezens herbergt, de Who's, die in het even kleine stadje Whoville wonen. Tijdens hun reis samen, Horton pleit voor het bestaan ​​van de Who's die in de lucht rondreizen op een stofvlekje, terwijl twijfelaars de bevinding betwisten. uiteindelijk, door observatie, bewijs voor de organismen komt naar voren, maar ongeacht de uitkomst, dit stipje veranderde een wereld die groter was dan de zijne.

Hoewel dit verhaal een fictief werk is, klimaat- en atmosferische wetenschappers hebben een realistisch Whoville-scenario overwogen:biologische deeltjes en anorganisch materiaal die in de atmosfeer rondrijden en het klimaat beïnvloeden. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat sommige aerosolen zeer goed zijn in het vormen van ijs, die wolken in de troposfeer kunnen vormen. Maar door complexe atmosferische chemie en een gebrek aan gegevens, wetenschappers weten niet zeker welk percentage van deze ijsactieve deeltjes biologisch van aard is en overvloedig genoeg in de troposfeer om een ​​impact op het klimaat te hebben. Verder, het chemisch ontleden van de metaforische Who's van hun stipje is moeilijk gebleken - tot nu toe.

Atmosferische wetenschappers in het programma Atmospheres, Oceans and Climate (PAOC) in MIT's Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen (EAPS) hebben een manier gevonden om biologisch materiaal in de atmosfeer (bioaerosolen) te onderscheiden van niet-biologische deeltjes met een hogere nauwkeurigheid dan andere methoden, machinaal leren gebruiken. Wanneer toegepast op eerder verzamelde atmosferische monsters en gegevens, hun bevindingen ondersteunen het bewijs dat deze bio-aerosolen wereldwijd gemiddeld minder dan 1 procent uitmaken van de deeltjes in de bovenste troposfeer - waar ze de vorming van wolken kunnen beïnvloeden en bij uitbreiding, het klimaat - en niet rond de 25 tot 50 procent, zoals eerder onderzoek suggereert.

Het werk, geleid door MIT universitair hoofddocent atmosferische chemie Dan Cziczo en afgestudeerde studente Maria Zawadowicz, verscheen vorige week in het tijdschrift Atmosferische scheikunde en natuurkunde .

Bioaerosolen in een complex klimaatsysteem

Bioaerosolen, een subset van atmosferische aerosolen, zijn biologische deeltjes of vloeistoffen die op een bepaald moment in de lucht zweven. Deze emissies bestaan ​​uit hele en gefragmenteerde bacteriën in de lucht, schimmel sporen, gist, virussen, pollen, en andere materialen uit de omgeving. Hun solide, niet-biologische tegenhangers, anorganische aerosolen, omvatten materialen zoals minerale stofdeeltjes zoals apatiet en monaziet, en industriële verbrandingsproducten zoals vliegas.

Wetenschappers zijn al lang geïnteresseerd in bioaerosolen vanwege hun potentieel om cirrusijswolken te vormen, die grote gevolgen hebben voor het klimaat:reflecterende, absorberend, en het doorlaten van zonlicht en thermische infraroodstraling van de aarde. Bacteriën zoals Pseudomonas syringae gebruiken hun kiemvormende eigenschappen om ijskristallen te vormen op tomatenplanten en mensen gebruikten ze om kunstmatige sneeuw te maken. Hoewel atmosferische en klimaatmodellering suggereert dat bioaerosolen, wereldwijd gemiddeld, zijn niet overvloedig en efficiënt genoeg bij bevriezing om de vorming van wolken significant te beïnvloeden, onderzoeksresultaten zijn sterk uiteengelopen.

"Er is de laatste vijf tot zeven jaar veel discussie geweest over hoeveel biologisch materiaal er in de atmosfeer zit, " zegt Cziczo. "[De onderzoeksresultaten] zijn over de hele kaart, maar er zijn een aantal studies die zeggen dat het een paar procent van de atmosferische aerosol is en er zijn een paar studies die zeggen dat het veel is, 25 procent of 50 procent. En dus, dat zijn een soort van de twee kampen die er zijn geweest, en je kunt je voorstellen dat deze heel andere effecten hebben op ons klimaatsysteem, op neerslag, op scheikunde."

Tot nu, het verzamelen en positief identificeren van bioaerosolen was moeilijk. Meettechnieken die specifiek zijn voor bioaerosol omvatten filterverzameling in combinatie met elektronenmicroscopie of optische microscopie met fluorescerende kleuring. Wetenschappers hebben ook in-situ fluorescentie gebruikt met een breedband geïntegreerde bioaerosolsensor (WIBS), naast het meten van de vormen en afmetingen van deeltjes. Het probleem hiermee is interferentie - bioaerosolen blijken vaak chemische kenmerken te hebben die lijken op rook, een anorganische aerosol. Aanvullend, onderzoekers hebben geprobeerd monsters te kweken voor microbiële stammen, evenals het offline analyseren van hun gegevens, in het labortorium. Deze technieken zorgen voor een aanzienlijke onzekerheid in de metingen en sommige onderzoeken rapporteerden bioaerosolconcentraties die groter waren dan de totale verkregen aerosolmeting, wat onmogelijk is.

Voor het geval dat niet ingewikkeld genoeg was, aërosolen worden chemisch en fysiek veranderd als ze de troposfeer binnenkomen, interactie met andere atmosferische verbindingen, en hoe langer ze daar zijn voordat ze uitvallen, hoe meer ze ouder worden en zich vermengen. Eindelijk, dit alles verschilt per regio, seizoen, klimaat, en hoogte, die van invloed kunnen zijn op metingen, de grens tussen bioaerosolen en anorganische aerosolen verder vervagen, en kwantificering uitdagend maken.

De onderzoeksgroep van Cziczo is geïnteresseerd in de onderlinge relatie van fijnstof en wolkenvorming. Zijn team gebruikt laboratorium- en veldstudies om op te helderen hoe kleine deeltjes interageren met waterdamp om druppels en ijskristallen te vormen, die belangrijke spelers zijn in het klimaatsysteem van de aarde. Experimenten omvatten het gebruik van kleine wolkenkamers in het laboratorium om atmosferische omstandigheden na te bootsen die leiden tot wolkenvorming en het observeren van wolken in situ vanaf afgelegen bergtoplocaties of door het gebruik van onderzoeksvliegtuigen.

Aerosol afbraak

"Een van de dingen die we vermoedden, was dat de vorige manieren om biologisch materiaal te bepalen waarschijnlijk [hun overvloed] overtelden omdat ze andere dingen als biologisch zagen en karakteriseren die dat echt niet waren, "zegt Cziczo.

Zawadowicz voegt toe:"Alles in de atmosfeer is zeer sterk verwerkt. Dat is wat veel van deze metingen verwart".

Dus, in een poging om de onzekerheid rond bio-aerosolen in de atmosfeer te beteugelen en hun invloed op wolkenvormingsprocessen te beperken, Cziczo en Zawadowicz, samen met medewerkers van de National Oceanic and Atmospheric Administration, ontwikkelde een techniek die een techniek genaamd deeltjesanalyse door middel van lasermassaspectrometrie (PALMS) koppelt aan machine learning. Hier, massaspectrometrie met enkelvoudige deeltjes wordt gebruikt om aerosolen één voor één te ablateren en te ioniseren, ze opsplitsen in ionenfragmenten en clusters, die vervolgens door het instrument worden gedetecteerd. Elke aerosol die op deze manier wordt geanalyseerd, produceert een spectrum met herkenbare kenmerken van zijn samenstelling, als een chemische vingerafdruk.

De groep maakte gebruik van de aanwezigheid van fosfor in de massaspectra om het classificatiemachine-leeralgoritme op bekende monsters te trainen en vervolgens, geprimed, toegepast op veldgegevens verkregen van het Storm Peak Laboratory van Desert Research Institute in Steamboat Springs, Colorado, en uit de Carbonaceous Aerosol and Radiative Effects Study in de stad Cool, Californië.

"Dus, wat Maria deed, was dat ze een hele reeks verschillende deeltjes pakte, gericht op biologische, bacteriën, zowel in levende als dode staat, schimmel sporen, stuifmeel, gist, zo ongeveer alles wat je maar kunt bedenken dat zou kunnen veranderen in atmosferische deeltjes, "zegt Cziczo. "En ze vond manieren om deze materialen te verspreiden en ze vervolgens in het instrument te brengen, zodat we hun samenstelling konden zien."

Sommige deeltjes werden chemisch verouderd om atmosferische interacties na te bootsen, anderen, fysiek afgebroken, zodat ze klein genoeg waren om te worden geanalyseerd en verneveld.

Wetende dat de belangrijkste atmosferische emissies van fosfor afkomstig zijn van mineraal stof, verbrandingsproducten, en biologische deeltjes, ze maakten gebruik van de aanwezigheid van fosfaat- en organische stikstofionen en hun karakteristieke verhoudingen in bekende monsters om de deeltjes te classificeren. In bio-aerosolen, fosfor komt vooral voor in fosfolipide dubbellagen en nucleïnezuren, terwijl in mineraal stof zoals apatiet en monaziet, het wordt gevonden als in de vorm van calciumfosfaat. Maar de divisie is niet gesneden en gedroogd; verbindingen zoals bodemstof kunnen interne mengsels van biologische en anorganische componenten bevatten.

Eenmaal geanalyseerd, andere spectrale pieken en markers werden gebruikt om aanvullend bewijs te leveren voor de classificatie als biologisch of niet-biologisch en om het vertrouwen in het algoritme en de resultaten ervan te vergroten.

"We ontdekten dat als we enkele verhoudingen van bepaalde componenten in het massaspectrum doen, er bepaalde clusters zijn die zich vormen, en we gebruikten enkele geavanceerde statistische technieken om de clusters te ontwarren en te zien welke handtekeningen biologisch zijn en welke niet, " zegt Zawadowicz. De nieuwe techniek was in staat om 97 procent van de spectra nauwkeurig te classificeren, en wanneer toegepast op spectra van veldgegevens, ontdekte dat minder dan 1 procent biologisch was voor het wereldwijde gemiddelde. Fosforemissie-inventarisaties hielpen dit te bevestigen.

De onwaarschijnlijkheid van een echte Whoville

Hoewel de lijst met geteste bioaerosolen en gebruikte datasets - die geen locaties en tijden van hoge en lage bioaerosolconcentratie bevatten - niet volledig was, vond de groep overtuigend bewijs dat, als het ging om de vorming van cirruswolken, bioaerosolen waren een onwaarschijnlijke boosdoener. Eerder onderzoek ging ervan uit dat het grootste deel van de fosfor in de atmosfeer biologisch was, maar Cziczo wijst erop dat dit in strijd is met de inventarisaties van fosforemissies, wat impliceert dat anorganische verbindingen vaak werden aangezien voor biologische. Voor Cziczo was deze bevinding dat bioaerosolen gemiddeld minder dan 1 procent uitmaakten, de smoking gun.

"Het is niet genoeg om te zeggen dat een deeltje goed is in het vormen van ijs, het moet ook een overvloed hebben die ervoor zorgt dat wolkenvorming plaatsvindt. En het lijkt veel minder zeker nu we genoeg van deze biologische middelen hebben om het effect te creëren dat sommige mensen in de literatuur hebben gesuggereerd, "zegt Cziczo. "In plaats daarvan, het is veel waarschijnlijker dat er andere dingen zijn die de ijskiemvorming veroorzaken, zoals de minerale stofdeeltjes."

Hoewel het onderzoek van Cziczo en Zawadowicz meer schaduw heeft geworpen over het bestaan ​​van een "Whoville, "Ze zeggen dat hun werk net is begonnen.

"Dus nu we begrijpen hoe het [aanwezigheid van bio-aerosol in de atmosfeer] eruit ziet, en we hebben wat veldgegevens om te zeggen hoe overvloedig het is in verschillende seizoenen op verschillende locaties, de vraag is:begrijpen de modellen dat goed?" zegt Cziczo, die plannen heeft om samen te werken met EAPS Senior Research Scientist Chien Wang en Colette Heald universitair hoofddocent bij het MIT Department of Civil and Environmental Engineering met een gezamenlijke aanstelling in EAPS, die beiden ook aerosol- en klimaateffecten onderzoeken en modelleren. zegt Cziczo, "We gaan kijken of we in de toekomst met hen kunnen samenwerken en kijken of we al deze gegevens kunnen combineren - de laboratoriumgegevens, de veldgegevens, en de modellen samen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.