De mindste skeletter i den marine verden observeret i 3D ved hjælp af synkrotronteknikker

Coccolithophores er mikroskopiske marine alger, der bruger kuldioxid til at vokse, og frigiver kuldioxid, når de opretter deres miniaturekalcitskaller. Disse små, rigelige planktoniske mikroorganismer kan derfor blive alvorligt påvirket af de nuværende stigende kuldioxidemissioner. Forskere fra CNRS, Le Mans Université, Sorbonne Université, Aix-Marseille Université og ESRF, den europæiske synkrotron, har afsløret nano-niveau 3-D struktur af deres calcitskaller, giver nye perspektiver til vurdering af disse små mikroorganismeres rolle i den globale kulstofcyklus. En undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation viser nye sammenhænge mellem deres masse og størrelsen af ​​den organiske skabelon, omkring hvilken calcitkernen og væksten finder sted.

Du har sikkert aldrig hørt om dem, men du har muligvis uforvarende bemærket coccolithophores i satellitbilleder af havet, når en storslået mælke-turkis farvet plaster dukker op i overfladevand, hvilket indikerer, at billioner af disse encellede forkalkede fytoplankton er til stede.

Omkring en tredjedel af den kuldioxid, der frigives til atmosfæren som følge af menneskelig aktivitet, absorberes af havene, hvor det reagerer kemisk og gør vandet mere surt. Det her, på tur, gør det vanskeligt for visse forkalkende marine organismer, såsom havstjerner, søpindsvin, koraller, og coccolithophores til at bygge deres skaller eller skeletter.

Når små organismer påvirker den globale kulstofcyklus

Coccolithophores, encellede organismer meget mindre end pixel på din computerskærm, er aktive aktører i kulstofcyklussen. De lever i havets overfladelag, hvor de bruger lys til at fotosyntetisere, fastsættelse af CO ₂ til organisk stof, der fører til et fald i opløst CO ₂ i havet. I modsætning til andre fotosyntetiske fytoplankton, coccolithophores producerer calcit (dvs. CaCO ₃ ) i form af små blodplader kaldet "coccoliths." Coccolithophore forkalkning bruger bikarbonat (HCO ₃ ) fra havvand og frigiver CO ₂ . Når coccolithophore celler dør, coccoliths og tilhørende organisk materiale synker langsomt til havbunden, bidrager dermed til lagring af kulstof i dybhavsreservoiret. Selvom de er små organismer, coccolithophores spiller en nøglerolle i den globale kulstofcyklus på grund af, at de er meget rigelige i havene.

Flere nylige laboratorie- og feltundersøgelser indikerer, at forsuring af havet sandsynligvis vil hæmme forkalkning af coccolithophore. Imidlertid, nogle undersøgelser har rapporteret en stigning i forkalkning af coccolithophore under mere sure forhold.

Afsløring af massen af ​​coccoliths

Det er derfor af væsentlig interesse at forstå, hvordan miljøfaktorer påvirker graden af ​​forkalkning af coccoliths. Det afgørende spørgsmål er at være i stand til nøjagtigt at estimere massen af ​​calcitskal af disse mikroorganismer. "Vi har udviklet en metode til at estimere massen af ​​individuelle coccoliths ved hjælp af automatiseret optisk mikroskopi, "siger CNRS -videnskabsmand Luc Beaufort." Selvom denne teknik er meget nyttig til måling af massen af ​​en stor mængde coccoliths på kort tid, det var afgørende at vurdere nøjagtigheden af ​​disse målinger ved at sammenligne med en anden meget præcis metode. "

Forskere Alain Gibaud og Thomas Beuvier, almindelige brugere af ESRF, sætte Yuriy Chushkin og Federico Zontone, forskere ved ESRF, i kontakt med palæontologerne Luc Beaufort og Baptiste Suchéras-Marx og havbiologen Ian Probert. Den kohærente røntgendiffraktionsbilledteknik på ESRF beamline ID10 blev brugt til at generere utroligt detaljerede oplysninger om 3D-strukturen (og derfor masse) af skaller og individuelle coccoliths af flere arter af coccolithophore.

Teamet var i stand til at kalibrere den optiske mikroskopimetode og fandt ud af, at hver coccolith i skallen har forskellige egenskaber, på trods af at alle er skabt under de samme miljøforhold. For at forklare variationerne i coccolith størrelse og masse inden for single coccolithophores, de fandt ud af, at massen af ​​coccoliths er proportionel med størrelsen af ​​den organiske skala, omkring hvilken calcitkernen forekommer omkring hver 110 til 120 nm.

"Forsøget på ESRF var udfordrende, fordi prøverne, fem til syv mikron, var næsten for store til, at vi kunne studere. Med kohærent diffraktionsbilleddannelse, det lykkedes os at få information i 3D og rekonstruere coccolithernes individuelle calcitkrystaller, "siger Yuriy Chushkin, forsker ved ESRF. "Faktisk, the largest samples scattered the beam so well that in one hour we had the full 3-D data set that we needed, "slutter han.

The next step for the team is to use the 3-D computed images of these coccoliths to get a deeper understanding of how calcification is controlled by these extraordinary phytoplanktons and of the mechanical properties of these tiny but very intricate calcite structures.