Le dinamiche che regolano il carbonio organico

Un nuovo studio condotto dai ricercatori del Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) e dell'Università di Harvard può aiutare a risolvere una questione di vecchia data: come mai piccole quantità di carbonio organico si bloccano nella roccia e nei sedimenti, impedendo di decomporsi.

Secondo il dottor Jordon Hemingway, (1) autore principale dello studio (pubblica dalla rivista Nature) (2), ricercatore postdottorato a Harvard e ex studente dell'OMI, conoscere le dinamiche che regolano questo processo potrebbe aiutare a spiegare perché la miscela di gas nell'atmosfera è rimasta stabile per così tanto tempo.

Secondo il dottor Jordon Hemingway, il biossido di carbonio atmosferico è una forma inorganica di carbonio. Le piante, le alghe e alcuni tipi di batteri possono estrarre la CO₂ dall'aria e utilizzarla come elemento di base per zuccheri, proteine e altre molecole nel loro corpo. Il processo, che avviene durante la fotosintesi, trasforma il carbonio inorganico in una forma “organica”, rilasciando ossigeno nell'atmosfera. Il contrario avviene quando questi organismi muoiono: i microbi iniziano a decomporsi, consumando ossigeno e rilasciando CO₂ nell'aria. Uno dei motivi chiave per cui la Terra è rimasta abitabile è che questo ciclo chimico è leggermente sbilanciato. Per qualche ragione, una piccola percentuale di carbonio organico non viene scomposta dai microbi, ma rimane conservata sottoterra per milioni di anni.

Sulla base delle prove esistenti, i ricercatori hanno sviluppato due possibili ragioni per cui il carbonio è lasciato alle spalle;

• Il primo, chiamato “conservazione selettiva”, suggerisce che alcune molecole di carbonio organico possono essere difficili da abbattere per i microrganismi, quindi rimangono intatte nei sedimenti una volta che tutti gli altri si sono decomposti.
• La seconda, chiamata ipotesi di “protezione minerale”, afferma che le molecole di carbonio organico possono invece formare forti legami chimici con i minerali che li circondano - così forti che i batteri non sono in grado di strapparli e “mangiarli”.

Il dottor Jordon Hemingway spiega: “storicamente, è stato difficile valutare quale processo sia dominante. Gli strumenti che abbiamo per la geochimica organica non sono abbastanza sensibili. Per questo studio, ho utilizzato un metodo chiamato ramped pyrolysis oxidation per testare le ipotesi in campioni di sedimenti provenienti da tutto il mondo. Se le molecole organiche vengono preservate a causa della selettività - poiché i microbi non sono in grado di romperli - ci aspetteremmo di vedere una gamma piuttosto stretta di forza di legame nei campioni. Abbiamo constatato che la diversità delle forze di legame cresce anziché diminuire con il tempo, indicando che una vasta gamma di tipologie di carbonio organico viene preservata. Ciò ci fa presupporre che stanno ottenendo protezione dai minerali che li circondano.”

Con uno speciale forno Jordon Hemingway, ha aumentato costantemente la temperatura di ogni campione a quasi 1000 gradi Celsius e ha misurato la quantità di anidride carbonica rilasciata mentre si riscaldava. La CO₂ rilasciata a temperature più basse rappresentava carbonio con legami chimici relativamente deboli, mentre il carbonio rilasciato a temperature elevate indicava legami forti che richiedevano più energia per frangersi. Egli ha anche misurato l'età della CO₂: usando metodi di datazione al carbonio; analizzando uno schema nei campioni stessi che supportava le sue scoperte. Le argille fini, come quelle che si trovano nelle foci dei fiumi, hanno una diversità di legami di carbonio costantemente più alta rispetto ai sedimenti grossolani o sabbiosi. Questo suggerisce che i sedimenti fini forniscono più superficie su cui il carbonio organico potrebbe attaccarsi.

Il dottor Valier Galy, un biogeochimico del Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) e coautore della ricerca spiega: “Se prendi, per esempio, granito dal New Hampshire e lo abbatti, otterrai una sorta di sabbia, quei grani sono relativamente grandi, quindi non c'è molta superficie disponibile per interagire con la materia organica. Hai davvero bisogno di sedimenti fini creati attraverso l'invecchiamento chimico superficiale - cose come le argille di fillosilicato.”

Sebbene questo lavoro fornisca una forte evidenza per un'ipotesi rispetto ad un'altra, Jordon Hemingway e i suoi colleghi ci tengono a puntualizzare che non fornisce una risposta definitiva al puzzle del carbonio organico. “Siamo stati in grado di studiare sul meccanismo con cui viene conservato il carbonio, ma non siamo in grado di divulgare informazioni su altri fattori, come la sensibilità alla temperatura nell'ambiente, ad esempio. Ci sono molti altri fattori da considerare. Questo documento è inteso come un riferimento per indirizzare i biogeochimici nella loro ricerca”, conclude Valier Galy.

Hanno collaborato a questo studio: Daniel H. Rothman del Massachusetts Institute of Technology; Katherine E. Grant e Louis A. Derry della Cornell University, Sarah Rosengard dell'Università della British Columbia; Timothy I. Eglinton di ETH Zurich, Svizzera.

Il Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) è un'organizzazione privata senza fini di lucro a Cape Cod, Massachusetts, dedicata alla ricerca marina, all'ingegneria e all'istruzione superiore. Fondata nel 1930 su raccomandazione dell'Accademia Nazionale delle Scienze, la sua missione principale è comprendere gli oceani e le loro interazioni con la Terra nel suo complesso e comunicare una comprensione di base del ruolo degli oceani nel mutevole ambiente globale. (3)

Riferimenti:

(1) Jordon Hemingway

(2) Mineral protection regulates long-term global preservation of natural organic carbon

(3) Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI)

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Organic Carbon Hides in Sediments, Keeping Oxygen in Atmosphere