Los científicos de Caltech y USC han descubierto una forma de acelerar la parte lenta de la reacción química que, en última instancia, ayuda a que la Tierra se bloquee de forma segura. o secuestrar, dióxido de carbono en el océano. Simplemente agregando una enzima común a la mezcla, los investigadores han encontrado, puede hacer que esa parte del proceso que limita la velocidad sea 500 veces más rápida.

Un artículo sobre el trabajo aparece en línea la semana del 17 de julio antes de su publicación en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Si bien el nuevo artículo trata sobre un mecanismo químico básico, la implicación es que podríamos imitar mejor el proceso natural que almacena dióxido de carbono en el océano, "dice el autor principal Adam Subhas, estudiante de posgrado de Caltech y becario de sostenibilidad de Resnick.

La investigación es una colaboración entre los laboratorios de Jess Adkins de Caltech y Will Berelson de USC. El equipo utilizó el etiquetado isotópico y dos métodos para medir las proporciones de isótopos en soluciones y sólidos para estudiar la calcita, una forma de carbonato de calcio, que se disuelve en el agua de mar y medir la rapidez con la que se produce a nivel molecular.

Todo comenzó con una muy simple, Problema muy básico:medir el tiempo que tarda la calcita en disolverse en el agua de mar. "Aunque aparentemente es un problema sencillo, la cinética de la reacción es poco conocida, "dice Berelson, profesor de ciencias de la tierra en el Dornsife College of Letters de la USC, Artes y Ciencias.

La calcita es un mineral compuesto de calcio, carbón, y oxígeno que se conoce más comúnmente como el precursor sedimentario de la piedra caliza y el mármol. En el océano, la calcita es un sedimento formado a partir de las conchas de organismos, como el plancton, que han muerto y se han hundido en el fondo marino. El carbonato de calcio también es el material que forma los arrecifes de coral:el exoesqueleto del pólipo de coral.

A medida que los niveles de dióxido de carbono atmosférico han aumentado más allá de las 400 partes por millón, un punto de referencia simbólico para los científicos del clima que confirma que los efectos del gas de efecto invernadero en la atmósfera se sentirán durante las generaciones venideras, la superficie de los océanos ha absorbido cada vez más de ese dióxido de carbono. . Esto es parte de un proceso de amortiguación natural:los océanos actúan como un importante depósito de dióxido de carbono. En el presente, retienen aproximadamente 50 veces más gases de efecto invernadero que la atmósfera.

Sin embargo, hay un segundo, Más lento, proceso de amortiguación que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera. El dióxido de carbono es un ácido en el agua de mar, al igual que en los refrescos carbonatados (que es parte de la razón por la que corroen el esmalte de sus dientes). Las aguas oceánicas superficiales acidificadas eventualmente circularán hacia las profundidades donde pueden reaccionar con las cáscaras de carbonato de calcio muertas en el fondo del mar y neutralizar el dióxido de carbono agregado. Sin embargo, este proceso tardará decenas de miles de años en completarse y, mientras tanto, las aguas superficiales cada vez más ácidas corroen los arrecifes de coral. Pero, ¿qué tan rápido se disolverá el coral?

"Decidimos abordar este problema porque es un poco embarazoso, el estado del conocimiento expresado en la literatura, "dice Adkins, Profesor de la Familia Smits de Geoquímica y Ciencias Ambientales Globales en Caltech. "No podemos decirles qué tan rápido se disolverá el coral".

Los métodos anteriores se basaban en medir el cambio de pH en el agua de mar a medida que se disolvía el carbonato de calcio, e inferir tasas de disolución a partir de eso. (A medida que se disuelve el carbonato de calcio, eleva el pH del agua, haciéndolo menos ácido). Subhas y Adkins en cambio optaron por usar el etiquetado isotópico.

Los átomos de carbono existen en dos formas estables en la naturaleza. Aproximadamente el 98,9 por ciento es carbono-12, que tiene seis protones y seis neutrones. Aproximadamente el 1,1 por ciento es carbono-13, con un neutrón extra.

Subhas y Adkins diseñaron una muestra de calcita hecha completamente del raro carbono-13, y luego lo disolvió en agua de mar. Midiendo el cambio en la proporción de carbono-12 a carbono-13 en el agua de mar a lo largo del tiempo, pudieron cuantificar la disolución a nivel molecular. Su método demostró ser unas 200 veces más sensible que las técnicas comparables para estudiar el proceso.

En papel, la reacción es bastante sencilla:agua más dióxido de carbono más carbonato de calcio equivalen a iones de calcio y bicarbonato disueltos en agua. En la práctica, es complejo. "De alguna manera, El carbonato de calcio decide cortarse espontáneamente por la mitad. Pero, ¿cuál es el camino químico real que toma la reacción? ”, Dice Adkins.

Estudiando el proceso con un espectrómetro de masas de iones secundarios (que analiza la superficie de un sólido bombardeándolo con un haz de iones) y un espectrómetro de anillo de cavidad (que analiza la relación 13C / 12C en solución), Subha descubierto que la parte lenta de la reacción es la conversión de dióxido de carbono y agua en ácido carbónico.

"Esta reacción se ha pasado por alto, "Dice Subhas." El paso lento es crear y romper enlaces carbono-oxígeno. No les gusta romperse; son formas estables ".

Armado con este conocimiento, el equipo agregó la enzima anhidrasa carbónica, que ayuda a mantener el equilibrio del pH de la sangre en humanos y otros animales, y pudo acelerar la reacción en órdenes de magnitud.

"Este es uno de esos raros momentos en el arco de la carrera de uno donde simplemente vas, 'Acabo de descubrir algo que nadie supo nunca, '", Dice Adkins.