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De la surface ondulante à la profondeur noire, les océans de la Terre sont jonchés de carcasses de minuscules formes de vie appelées phytoplancton qui constituent la base de la chaîne alimentaire marine. Ces fantômes microscopiques contiennent un réservoir de carbone estimé à 662 gigatonnes – 200 fois plus élevé que la quantité stockée dans toutes les plantes et les animaux vivants – qui pourrait nous hanter si il se déchaînait sous forme de dioxyde de carbone.

Comprendre le destin de ces molécules est fondamental

Certaines des molécules contenant du carbone présentes dans ces restes de plancton resteront enfermées pendant des millions d’années sur le fond marin, mais certaines se décomposeront et entreront dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Une grande partie continuera à circuler librement dans l’océan pendant des générations. Mais exactement quelles molécules sont destinées à quel destin – et donc quelle quantité de ce vaste réservoir de carbone se dirige vers l’atmosphère via le réchauffement des océans, l’acidification, la lumière solaire ou la digestion par les microbes – est une question fondamentale. Répondre à cette question nécessite une image plus claire de la structure des molécules qui contiennent ce carbone.

La première « photographies » de ces molécules

Une équipe internationale de scientifiques a maintenant pris les premières « photographies » de ces molécules pour tenter de les analyser. Ce premier aperçu suggère que, même si une rupture catastrophique et un rejet de carbone semblent peu probables, il nous reste encore beaucoup à comprendre sur le comportement du carbone océanique. Seulement environ 10% des quelque 5 000 molécules contenant du carbone planctonique ont été identifiées, bien qu’elles existent en si grandes quantités; la plupart des structures n’ont été que des hypothèses.

Il est difficile de les examiner de manière concrète car collecter un simple millilitre d’eau pour l’étudier nécessite de filtrer 3 600 litres d’eau de mer, et la technique utilisée auparavant pour déchiffrer les atomes devait séparer les molécules, ce qui donnait peu d’informations sur les liaisons chimiques qui les maintenaient ensemble.

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Une animation du squelette moléculaire d’une molécule contenant du carbone provenant de l’océan et recouvrant sa structure chimique réelle. Cette structure est celle qui semble la plus résistante à la dégradation. Crédit: IBM Research

Un microscope pour prendre une photo des molécules contenant du carbone

Dans cette nouvelle étude publiée ce mois-ci dans Geophysical Research Letters, l’équipe a utilisé une technique appelée microscopie à force atomique pour créer des images des molécules contenant du carbone. D’abord, les chercheurs ont isolé les molécules au sommet d’une surface très plate dans un vide profond, les refroidissant à -267,7 degrés Celsius pour les immobiliser. Ensuite, un minuscule bras scanneur avec une seule molécule de monoxyde de carbone sur la pointe s’est déplacé sur les surfaces des molécules en question pour mesurer les pics, les vallées et la forme générale. (Le monoxyde de carbone s’est avéré être la molécule la plus sensible pour mesurer ces dimensions atomiques.)

Les chercheurs ont découvert que les molécules de la surface des océans étaient difficiles à créer car elles étaient «tridimensionnelles et volumineuses», déclare Leo Gross, membre de l’équipe, expert en microscopie atomique chez IBM Research-Zurich. « Les molécules plus profondes étaient plus faciles à voir parce que leur surface était plus claire. »

Les molécules profondes sont plus résistantes

Cette étude a révélé que les molécules profondes sont plus petites et ont une structure en anneau, ce qui leur permet de résister à des forces susceptibles de les dégrader, cela leur permet de s’accumuler dans l’océan. La datation au radiocarbone indique que certains d’entre elles circulent dans les profondeurs océaniques depuis plus de 4 500 ans, alors que les molécules de surface n’ont que quelques mois, car la plupart sont rapidement englouties par les microbes ou dégradées par la lumière solaire ou d’autres processus biologiques.

Un océanographe à l’Université de Zurich et membre de l’équipe, suggère que les molécules profondes pourraient être trop diffuses pour que les microbes puissent les trouver, ou que ces molécules très robustes pourraient elles-mêmes être des sous-produits de la digestion microbienne. comme des pneus en caoutchouc dans l’océan », a-t-elle ajouté, «ce qui est probablement peu attrayant pour les microbes.»

Dennis Hansell, professeur d’océanographie à l’Université de Miami, qui a étudié de manière approfondie le carbone océanique dissous, mais qui n’a pas participé à cette nouvelle étude, affirme que la capacité d’imager des molécules représente une avancée importante. « Nous, océanologues, ne connaissons pas les protections en place qui empêchent la consommation de ce matériel par les microbes », explique-t-il. « Donc, ces résultats visuellement très convaincants nous rapprochent de cette compréhension. »

Un modifications du climat pourrait affecter le carbone

Les différences de structure et de stabilité entre les molécules de surface et celles rencontrées dans les profondeurs océaniques ne sont que le point de départ pour comprendre si la majeure partie de ce carbone restera enfermée dans un avenir prévisible ou si des conditions telles que l’oxygène peut déclencher une décomposition beaucoup plus rapide.

« Il a été dans un cycle depuis des millénaires – et compte tenu de sa structure, je ne pense pas que cela va changer », a déclaré Coppola un océanographe. « Mais de petites modifications du climat pourraient faire une grande différence car il y a beaucoup de carbone, et il est présent partout, donc comprendre son cycle est très important, pour par exemple produire de futures modélisations du réchauffement climatique. »

Source : Scientific American