En ny studie från forskare vid Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) och Harvard University kan hjälpa till att lösa en långvarig fråga - hur små mängder organiskt kol låses in i berg och sediment, förhindrar att den sönderfaller. Att veta exakt hur den processen sker kan hjälpa till att förklara varför blandningen av gaser i atmosfären har förblivit stabil så länge, säger huvudförfattaren Jordon Hemingway, en postdoktor vid Harvard och tidigare student vid WHOI. Tidningen publiceras den 14 juni i tidskriften Natur .

Atmosfärisk koldioxid (CO2), Hemingway noterar, är en oorganisk form av kol. Växter, alger, och vissa typer av bakterier kan dra ut den CO2 ur luften, och använd den som byggsten för sockerarter, proteiner, och andra molekyler i kroppen. Processen, som sker under fotosyntesen, omvandlar oorganiskt kol till en "organisk" form, samtidigt som syre släpps ut i atmosfären. Det omvända inträffar när dessa organismer dör:mikrober börjar bryta ner sina kroppar, förbrukar syre och släpper ut CO2 tillbaka till luften.

En av de viktigaste anledningarna till att jorden har förblivit beboelig är att denna kemiska cykel är något obalanserad, säger Hemingway. Av någon anledning, en liten andel organiskt kol bryts inte ned av mikrober, men förblir istället bevarad under jorden i miljontals år.

"Om det vore perfekt balanserat, allt fritt syre i atmosfären skulle förbrukas lika snabbt som det skapades, " säger Hemingway. "För att ha syre kvar för oss att andas, en del av det organiska kolet måste gömmas där det inte kan sönderfalla."

Baserat på befintliga bevis, forskare har utvecklat två möjliga orsaker till att kol lämnas kvar. Den första, kallad "selektiv konservering, " antyder att vissa molekyler av organiskt kol kan vara svåra för mikroorganismer att bryta ner, så de förblir orörda i sediment när alla andra har sönderfallit. Den andra, kallas "mineralskyddshypotesen", anger att molekyler av organiskt kol istället kan bilda starka kemiska bindningar med mineralerna runt dem – så starka att bakterier inte kan plocka bort dem och "äta" dem.

"Historiskt sett, det har varit svårt att peka ut vilken process som är dominerande. De verktyg vi har för organisk geokemi har inte varit tillräckligt känsliga, " säger Hemingway. För denna studie, han vände sig till en metod som kallas "ramped pyrolysis oxidation", eller RPO, att testa hypoteserna i sedimentprover från hela världen. Med en specialugn, han höjde stadigt temperaturen på varje prov till nästan 1000 grader Celsius, och mätte mängden koldioxid den släppte ut när den värmdes. CO2 som frigörs vid lägre temperaturer representerade kol med relativt svaga kemiska bindningar, medan kol som frigörs vid höga temperaturer betecknade starka bindningar som tog mer energi att bryta. Han mätte också CO2 -åldern med hjälp av koldateringsmetoder.

"Om organiska molekyler bevaras på grund av selektivitet - eftersom mikrober inte kan bryta ner dem - skulle vi förvänta oss att se ett ganska snävt intervall av bindningsstyrka i proverna. Mikrober skulle ha brutit ner resten, lämnar bara några envisa typer av organiskt kol efter sig, " säger han. "Men vi såg faktiskt att mångfalden av bandstyrkor växer snarare än krymper med tiden, vilket tyder på att ett brett spektrum av organiska koltyper bevaras. Vi tror att det betyder att de får skydd från mineraler runt dem."

Hemingway såg också ett mönster i själva proverna som stödde hans fynd. Fina leror som de som finns vid flodutlopp hade en konsekvent högre mångfald av kolbindningar än grova eller sandiga sediment, vilket tyder på att fina sediment ger mer yta på vilken organiskt kol kan fästa sig.

"Om du tar, säga, granit från New Hampshire och bryt ner den, du får en sorts sand. Dessa korn är relativt stora, så det finns inte så mycket yta tillgänglig för att interagera med organiskt material. Du behöver verkligen fina sediment skapade via kemisk vittring vid ytan - saker som fyllosilikatleror, " säger Valier Galy, en biogeokemist vid WHOI och medförfattare på tidningen.

Även om detta arbete ger starka bevis för en hypotes framför en annan, 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, till exempel. 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.