Kokolitoforer är mikroskopiska marina alger som använder koldioxid för att växa, och släpper ut koldioxid när de skapar sina miniatyrkalcitskal. Dessa små, rikliga planktonmikroorganismer kan därför påverkas allvarligt av nuvarande ökande koldioxidutsläpp. Forskare från CNRS, Le Mans Université, Sorbonne Université, Aix-Marseille Université och ESRF, den europeiska synkrotronen, har avslöjat 3D-strukturen på nano-nivå i deras kalcitskal, tillhandahålla nya perspektiv för bedömning av dessa små mikroorganismernas roll i den globala koldioxidcykeln. En studie publicerad i Naturkommunikation visar nya korrelationer mellan deras massa och storleken på den organiska mallen runt vilken kalcitkärnbildning och tillväxt sker.

Du har nog aldrig hört talas om dem, men du kanske oavsiktligt har lagt märke till coccolithophores i satellitbilder av havet när en magnifik mjölk-turkos färgad lapp dyker upp i ytvatten som indikerar att biljoner av dessa encelliga förkalkade växtplankton finns.

Ungefär en tredjedel av koldioxiden som släpps ut i atmosfären till följd av mänsklig aktivitet absorberas av haven, där det reagerar kemiskt och gör vattnet surare. Detta, i tur och ordning, gör det svårt för vissa förkalkande marina organismer, som havsstjärnor, sjöborrar, koraller, och coccolithophores för att bygga sina skal eller skelett.

När små organismer påverkar den globala kolcykeln

Coccolithophores, encelliga organismer mycket mindre än pixlarna på din datorskärm, är aktiva spelare i koldioxidcykeln. De lever i ytskikt av havet, där de använder ljus för att fotosyntetisera, fixering av CO ₂ i organiskt material som leder till en minskning av löst CO ₂ i havet. Till skillnad från andra fotosyntetiska växtplankton, coccolithophores producerar kalcit (dvs. CaCO ₃ ) i form av små trombocyter som kallas "coccoliths." Kokcolitoforförkalkning använder bikarbonat (HCO ₃ ) från havsvatten och släpper ut CO ₂ . När coccolithophore -celler dör, coccoliths och tillhörande organiskt material sjunker långsamt till havsbotten, vilket bidrar till lagring av kol i djuphavsreservoaren. Även om de är små organismer, coccolithophores spelar en nyckelroll i den globala kolcykeln på grund av att de är mycket rikliga i haven.

Flera nyligen genomförda laboratorie- och fältstudier indikerar att försurning av havet sannolikt kommer att hämma förkalkning av kokolitofor. Dock, vissa studier har rapporterat en ökning av förkalkning av kokolitofor i surare förhållanden.

Avslöjar massan av coccoliths

Att förstå hur miljöfaktorer påverkar graden av förkalkning av kokoliter är därför av stort intresse. Den avgörande frågan är att exakt kunna uppskatta massan av kalcitskalet för dessa mikroorganismer. "Vi har utvecklat en metod för att uppskatta massan av enskilda kokoliter med hjälp av automatiserad optisk mikroskopi, "säger CNRS -forskaren Luc Beaufort." Även om denna teknik är mycket användbar för att mäta massan av en stor mängd coccoliths på kort tid, det var avgörande att bedöma riktigheten av dessa mätningar genom att jämföra med en annan mycket exakt metod. "

Forskarna Alain Gibaud och Thomas Beuvier, vanliga användare av ESRF, sätta Yuriy Chushkin och Federico Zontone, forskare vid ESRF, i kontakt med paleontologerna Luc Beaufort och Baptiste Suchéras-Marx och marinbiologen Ian Probert. Den koherenta röntgendiffraktionsavbildningstekniken på ESRF beamline ID10 användes för att generera otroligt detaljerad information om 3D-strukturen (och därmed massan) av skal och individuella kokoliter av flera arter av kokolitofor.

Teamet kunde kalibrera den optiska mikroskopimetoden och fann att varje kokolit i skalet har olika egenskaper, trots att alla skapas under samma miljöförhållanden. To explain the variations in coccolith size and mass within single coccolithophores, they found that the mass of coccoliths is proportionate to the size of the organic scale around which calcite nucleation occurs every 110 to 120 nm.

"The experiment at the ESRF was challenging because the samples, at five to seven microns, were almost too big for us to study. With coherent diffraction imaging, we managed to get information in 3-D and reconstruct the individual calcite crystals of the coccoliths, " says Yuriy Chushkin, scientist at the ESRF. "Faktiskt, the largest samples scattered the beam so well that in one hour we had the full 3-D data set that we needed, " he concludes.

The next step for the team is to use the 3-D computed images of these coccoliths to get a deeper understanding of how calcification is controlled by these extraordinary phytoplanktons and of the mechanical properties of these tiny but very intricate calcite structures.