Новое исследование, проведенное учеными из Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI) и Гарвардского университета, может помочь решить давний вопрос: как небольшое количество органического углерода оказывается запертым в горных породах и отложениях, предотвращая его разложение. Точное знание того, как происходит этот процесс, может помочь объяснить, почему смесь газов в атмосфере так долго оставалась стабильной, говорит ведущий автор Джордон Хемингуэй, научный сотрудник Гарвардского университета и бывший студент WHOI. Статья опубликована 14 июня в журнале Nature.
Атмосферный углекислый газ (CO2), отмечает Хемингуэй, представляет собой неорганическую форму углерода. Растения, водоросли и некоторые виды бактерий могут извлекать этот CO2 из воздуха и использовать его в качестве строительного материала для сахаров, белков и других молекул в своем организме. Процесс, происходящий при фотосинтезе, превращает неорганический углерод в «органическую» форму, при этом высвобождая кислород в атмосферу. Когда эти организмы умирают, происходит обратное: микробы начинают разлагать их тела, потребляя кислород и выделяя CO2 обратно в воздух.
Одна из ключевых причин, по которой Земля остается пригодной для жизни, заключается в том, что этот химический цикл немного несбалансирован, говорит Хемингуэй. По какой-то причине небольшой процент органического углерода не расщепляется микробами, а вместо этого сохраняется под землей в течение миллионов лет.
«Если бы она была идеально сбалансирована, весь свободный кислород в атмосфере был бы израсходован так же быстро, как и создан», - говорит Хемингуэй. «Чтобы у нас оставался кислород для дыхания, часть органического углерода должна быть спрятана там, где он не может разлагаться."
Основываясь на существующих доказательствах, исследователи разработали две возможные причины, по которым углерод остается позади. Первый, называемый «селективным сохранением», предполагает, что некоторые молекулы органического углерода трудно расщепить микроорганизмам, поэтому они остаются нетронутыми в отложениях после разложения всех остальных. Вторая, называемая гипотезой «минеральной защиты», утверждает, что молекулы органического углерода вместо этого могут образовывать прочные химические связи с окружающими их минералами - настолько прочными, что бактерии не могут вырвать их и «съесть».
«Исторически было трудно определить, какой процесс является доминирующим. Инструменты, которые у нас есть для органической геохимии, не были достаточно чувствительными», - говорит Хемингуэй. Для этого исследования он обратился к методу, называемому «ускоренное пиролизное окисление» или RPO, чтобы проверить гипотезы на образцах отложений со всего мира. С помощью специальной печи он постоянно поднимал температуру каждого образца почти до 1000 градусов по Цельсию и измерял количество выделяемого при нагревании углекислого газа. CO2, выделяющийся при более низких температурах, представляет углерод с относительно слабыми химическими связями, тогда как углерод, выделяющийся при высоких температурах, обозначает сильные связи, для разрыва которых требуется больше энергии. Он также измерил возраст CO2, используя методы радиоуглеродного датирования.
Если органические молекулы сохраняются из-за селективности - потому что микробы не способны их разрушить - мы ожидаем увидеть довольно узкий диапазон силы связи в образцах. Микробы разложат остальные, оставив позади лишь несколько упрямых видов органического углерода», - говорит он. «Но на самом деле мы увидели, что разнообразие сил связи со временем растет, а не уменьшается, что указывает на сохранение широкого спектра типов органического углерода. Мы думаем, что это означает, что они получают защиту от окружающих их минералов».
Хемингуэй также увидел закономерность в самих образцах, которая подтвердила его выводы. Мелкие глины, подобные тем, которые встречаются в устьях рек, имели неизменно более высокое разнообразие углеродных связей, чем крупные или песчаные отложения, что позволяет предположить, что мелкие отложения обеспечивают большую площадь поверхности, на которой может прикрепляться органический углерод.
Если вы возьмете, скажем, гранит из Нью-Гэмпшира и разрушите его, вы получите что-то вроде песка. Эти песчинки относительно велики, поэтому не так много поверхности, доступной для взаимодействия с органическим веществом. Вы действительно нужны тонкие отложения, образовавшиеся в результате химического выветривания на поверхности, такие как филлосиликатные глины», - говорит Валиер Гали, биогеохимик из WHOI и соавтор статьи.
Хотя эта работа предоставляет убедительные доказательства преимущества одной гипотезы над другой, Хемингуэй и его коллеги быстро отмечают, что она не дает окончательного ответа на загадку органического углерода. «Мы смогли определить механизм сохранения углерода, но мы не предоставляем информацию о других факторах, таких как, например, чувствительность к температуре окружающей среды. Есть много других факторов, которые следует учитывать. Эта статья задумана как своего рода ориентир для биогеохимиков в их исследованиях», - говорит Гали.