Een nieuwe studie van onderzoekers van de Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) en Harvard University kan helpen bij het oplossen van een al lang bestaande vraag:hoe kleine hoeveelheden organische koolstof worden opgesloten in gesteente en sedimenten, voorkomen dat het uiteenvalt. Als we precies weten hoe dat proces verloopt, kan dit helpen verklaren waarom het mengsel van gassen in de atmosfeer zo lang stabiel is gebleven, zegt hoofdauteur Jordon Hemingway, een postdoctoraal onderzoeker aan Harvard en voormalig student aan de WHOI. De krant publiceert 14 juni in het tijdschrift Natuur .

Atmosferische kooldioxide (CO2), Hemingway-aantekeningen, is een anorganische vorm van koolstof. Planten, algen, en bepaalde soorten bacteriën kunnen die CO2 uit de lucht halen, en gebruik het als bouwsteen voor suikers, eiwitten, en andere moleculen in hun lichaam. Het proces, die optreedt tijdens fotosynthese, transformeert anorganische koolstof in een "organische" vorm, terwijl er zuurstof vrijkomt in de atmosfeer. Het omgekeerde gebeurt wanneer die organismen sterven:microben beginnen hun lichaam af te breken, zuurstof verbruiken en CO2 weer in de lucht afgeven.

Een van de belangrijkste redenen waarom de aarde bewoonbaar is gebleven, is dat deze chemische cyclus enigszins uit balans is, zegt Hemingway. Om de een of andere reden, een klein percentage organische koolstof wordt niet afgebroken door microben, maar blijft in plaats daarvan miljoenen jaren onder de grond bewaard.

"Als het perfect in balans was, alle vrije zuurstof in de atmosfeer zou net zo snel opgebruikt zijn als het was gemaakt, "zegt Hemingway. "Om zuurstof over te houden zodat we kunnen ademen, een deel van de organische koolstof moet worden verborgen waar het niet kan ontleden."

Op basis van bestaand bewijs, onderzoekers hebben twee mogelijke redenen ontwikkeld waarom koolstof achterblijft. De eerste, genaamd "selectieve bewaring, " suggereert dat sommige moleculen van organische koolstof moeilijk kunnen worden afgebroken voor micro-organismen, dus blijven ze onaangeroerd in sedimenten zodra alle andere zijn afgebroken. De seconde, zogenaamde "minerale bescherming" hypothese, stelt dat moleculen van organische koolstof in plaats daarvan sterke chemische bindingen kunnen vormen met de mineralen om hen heen - zo sterk dat bacteriën ze niet weg kunnen plukken en "opeten".

"Historisch, het was moeilijk om uit te maken welk proces dominant is. De instrumenten die we hebben voor organische geochemie zijn niet gevoelig genoeg geweest, " zegt Hemingway. Voor deze studie, hij wendde zich tot een methode genaamd "ramped pyrolyse-oxidatie", of RPO, om de hypothesen te testen in sedimentmonsters van over de hele wereld. Met een gespecialiseerde oven, hij verhoogde de temperatuur van elk monster gestaag tot bijna 1000 graden Celsius, en gemeten de hoeveelheid kooldioxide die vrijkwam als het opwarmde. CO2 dat vrijkomt bij lagere temperaturen vertegenwoordigde koolstof met relatief zwakke chemische bindingen, terwijl koolstof die vrijkomt bij hoge temperaturen duidt op sterke bindingen die meer energie nodig hadden om te breken. Hij heeft ook de leeftijd van de CO2 gemeten met behulp van koolstofdateringsmethoden.

"Als organische moleculen worden bewaard vanwege selectiviteit - omdat microben ze niet kunnen afbreken - zouden we een vrij smal bereik van bindingssterkte in de monsters verwachten. Microben zouden de rest hebben afgebroken, waardoor er slechts een paar hardnekkige soorten organische koolstof achterblijven, "zegt hij. "Maar we zagen eigenlijk dat de diversiteit aan hechtsterkten met de tijd groeit in plaats van krimpt, wat aangeeft dat een breed scala aan organische koolstofsoorten behouden blijft. We denken dat dit betekent dat ze bescherming krijgen tegen mineralen om hen heen."

Hemingway zag ook een patroon in de monsters zelf dat zijn bevindingen ondersteunde. Fijne klei zoals die gevonden wordt bij rivieruitlaten had een consistent hogere diversiteit aan koolstofbindingen dan grove of zanderige sedimenten, wat suggereert dat fijne sedimenten meer oppervlakte bieden waarop organische koolstof zich zou kunnen hechten.

"Als je pakt, zeggen, graniet uit New Hampshire en breek het af, je krijgt een soort zand. Die korrels zijn relatief groot, so there's not that much surface available to interact with organic matter. You really need fine sediments created via chemical weathering at the surface—things like phyllosilicate clays, " says Valier Galy, a biogeochemist at WHOI and co-author on the paper.

Although this work provides strong evidence for one hypothesis over another, Hemingway and his colleagues are quick to note that it doesn't provide a definitive answer to the organic carbon puzzle. "We were able to put our finger on the mechanism by which carbon is being preserved, but we don't provide information about other factors, like sensitivity to temperature in the environment, bijvoorbeeld. There are a lot of other factors to consider. This paper is intended as a sort of waypoint to direct biogeochemists in their research, " says Galy.