從波濤洶湧的表面到墨黑的深淵，地球的海洋中散佈著被稱為浮游植物的微小生物的遺骸，它們在生命週期中構成了海洋食物鏈的基礎。
這些微觀的幽靈包含著估計高達 662 吉噸的碳儲量，是所有活植物和動物所儲存量的 200 倍，如果從其水生墳墓中以導致地球變暖的二氧化碳形式釋放出來，可能會對我們造成威脅。
這些浮游生物殘骸中一些含碳分子將在海底被鎖住數百萬年，但有些會分解並以二氧化碳的形式進入大氣層。很大一部分將繼續在海洋中自由迴圈數代。但是，究竟哪些分子註定要走向何種命運——因此，這個巨大的碳庫中有多少將透過海洋變暖、酸化、陽光或微生物消化而進入大氣層，這仍然是一個懸而未決的問題。要回答這個問題，需要更清楚地瞭解包含這種碳的分子結構。一個國際科學家團隊現在已經拍攝了這些分子的第一批“照片”，以努力開始解析這些資訊。這第一次的觀察表明，雖然碳的災難性分解和釋放似乎不太可能，但關於海洋碳的行為還有很多需要了解的地方。
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據估計，大約 5000 種含碳浮游分子中，只有約 10% 被識別出來，儘管它們大量存在；大多數結構都只是被假設出來。要實際觀察它們是具有挑戰性的，因為收集一毫升用於研究的樣本需要過濾 3600 升海水。而且，以前用來破譯存在哪些原子的技術需要將分子分解，對於首先將它們結合在一起的化學鍵幾乎沒有洞察力。
一個來自海洋的含碳分子的分子骨架動畫，疊加了其真實的化學結構。這種結構更耐分解。圖片來源：IBM Research
在本月發表在《地球物理研究快報》上的新研究中，該團隊使用了一種稱為原子力顯微鏡的技術來建立含碳分子的視覺影像。首先，研究人員將分子隔離在深真空中的一個極其平坦的表面上，將其冷卻至 -450.7 華氏度，使其靜止不動。然後，一個尖端帶有一個一氧化碳分子的微小掃描臂在受試分子的表面上移動，以測量峰值、谷值和整體形狀。（一氧化碳已被證明是測量這些原子尺寸最敏感的分子。）研究人員發現，來自海洋表面的分子很難成像，因為它們是“三維且體積龐大”，來自 IBM Research - Zurich 的原子顯微鏡專家團隊成員 Leo Gross 說。“較深的分子更容易成像，因為它們的表面是平面的。”*
該研究發現，深層分子較小且具有環狀結構，這有助於它們抵抗可能以其他方式降解它們的力量；這使得它們在海洋中積累。放射性碳測年表明，其中一些已經在深海中迴圈了 4500 多年，而表面分子可能只有幾個月大，因為大多數分子很快就被微生物吞噬或被陽光或其他生物過程分解。蘇黎世大學的海洋學家團隊成員 Alysha Coppola 認為，深層分子可能過於分散而難以讓微生物找到——或者這些極其頑強的分子本身可能是微生物消化的副產品。**“它們有點像海洋中的橡膠輪胎”，她表示，這些分子可能對微生物也同樣沒有吸引力。
邁阿密大學的海洋學教授 Dennis Hansell 長期研究溶解的海洋碳，但並未參與這項新研究，他表示，能夠對實際分子成像是一項重要的進步。“我們海洋科學家不知道有哪些保護措施可以阻止這種物質被微生物消耗，”他說。“所以這些視覺上引人注目的結果使我們更接近於理解這一點。”
表面分子和在海洋深處發現的分子之間在結構和穩定性方面的差異只是理解這種碳是否會在可預見的未來被鎖定住的起點，或者諸如變暖、酸度或溶解氧減少等條件是否會引發更快的分解。“它已經迴圈了數千年——鑑於它的結構，我認為它不會改變，”Coppola 說。“但是氣候的微小變化可能會產生很大的影響，因為碳實在太多了——而且它無處不在。”
編者注（2018 年 8 月 8 日）
*本段在釋出後進行了編輯，以更正 Leo Gross 的隸屬關係以及使用的顯微鏡型別名稱。
**本句在釋出後進行了編輯，以更新 Alysha Coppola 的隸屬關係。