海洋溶解性有機炭素を原子スケールで可視化
溶解性有機炭素（DOC）は地球最大の還元炭素貯蔵庫であり、生物圏の約200倍の質量、大気中のCO₂プールと匹敵します。しかし、DOCの約10%しか化学的に特性評価されておらず、この巨大な貯蔵庫が気温上昇や他の気候変動ストレスにどう応答するかを予測する上で重要な知識の空白となっています。
IBMリサーチ・チューリッヒと、チューリッヒ大学、UCアーバイン、UCサンタクルーズの著名な化学海洋学者たちとの共同研究により、DOCを構成する個々の分子が初めてイメージングされました。結果は査読誌『Geophysical Research Letters』に掲載され、海洋炭素循環への新たな窓を開きます。
古代海洋炭素の謎を解く
DOCは主に表層植物プランクトンに由来しますが、放射性炭素年代測定では平均年齢が予想より約2,400年古いことが判明し、この炭素の一部が深層水の混合サイクルを複数回生き延びていることを示唆しています。主要な仮説の一つは、この長寿命がDOCの化学構造に起因するというもので、これまで検証不可能でした。
左：深海分子5,6,8-トリメチル-2,3-ジヒドロ-1H-シクロペンタ[b]ナフタレンのAFM像。右：北太平洋深海由来分子のAFM像。
学際的共同研究が新境地を切り開く
高度な分析化学と海洋科学を融合し、チームは原子間力顕微鏡（AFM）を用いて個々のDOC分子を原子分解能で撮像しました。この技術はIBM科学者たちによって2009年に開拓されました。AFM像は、DOCの海洋での振る舞いを決定する精密な構造詳細を明らかにします。
左から：レオ・グロス（IBMリサーチ・チューリッヒ）；アリシャ・イネス・コッポラ（チューリッヒ大学）；ファビアン・シュルツ（IBMリサーチ・チューリッヒ）；シャディ・ファタヤー（IBMリサーチ・チューリッヒ）。
北太平洋の表層および水深2,500mからのサンプルが調べられました。分析によれば、深層水の分子は表層分子よりも平面的で、脂肪族基が少ないことが判明し、構造的難分解性が深層DOCの古代の年齢を支えているという考えを支持しています。
DOCが重要な理由
DOCは大気と匹敵する炭素貯蔵庫を表します。その構造的強靭性を理解することは、汚染が海洋生態系に負担をかけ続ける中で、温暖化する世界において海洋炭素循環がどう変化するかを予測する上で不可欠です。個々の分子を可視化する能力は、海洋健康の評価と気候政策の指針となる強力なツールを提供します。
Direct visualization of individual aromatic compound structures in low molecular weight marine dissolved organic carbon, DOI: 10.1029/2018GL077457
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