En el popular cuento infantil "Horton Hears a Who!" El autor Dr. Seuss habla de un elefante suave y protector que se topa con una mota de polvo que alberga una comunidad de criaturas microscópicas llamadas Whos que viven en la igualmente pequeña ciudad de Whoville. A lo largo de su viaje juntos, Horton defiende la existencia de los Quienes viajando en el aire sobre una mota de polvo, mientras que los escépticos disputan el hallazgo. Por último, a través de la observación, surge evidencia de los organismos, pero independientemente del resultado, esta mota alteró un mundo más grande que el suyo.

Si bien este cuento es una obra de ficción, Los científicos del clima y la atmósfera han considerado un escenario Whoville de la vida real:partículas biológicas y material inorgánico que circulan por la atmósfera y afectan el clima. Investigaciones anteriores han demostrado que algunos aerosoles son muy buenos para nuclear hielo, que podría formar nubes en la troposfera. Pero debido a las complejas químicas atmosféricas y la falta de datos, Los científicos no están seguros de qué porcentaje de estas partículas activas en el hielo son de naturaleza biológica y lo suficientemente abundantes en la troposfera como para tener un impacto en el clima. Es más, Analizar químicamente los Quienes metafóricos de su partícula ha resultado difícil, hasta ahora.

Investigadores en ciencias atmosféricas del Programa de Atmósferas, Oceans and Climate (PAOC) en el Departamento de Tierra del MIT, Las Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS) han encontrado una manera de diferenciar el material biológico en la atmósfera (bioaerosoles) de las partículas no biológicas con mayor precisión que otros métodos. utilizando el aprendizaje automático. Cuando se aplica a muestras y datos atmosféricos recopilados previamente, Sus hallazgos respaldan la evidencia de que, en promedio, estos bioaerosoles constituyen a nivel mundial menos del 1 por ciento de las partículas en la troposfera superior, donde podrían influir en la formación de nubes y, por extensión, el clima, y ​​no entre el 25 y el 50 por ciento, como sugiere una investigación anterior.

La obra, dirigido por el profesor asociado de química atmosférica del MIT Dan Cziczo y la estudiante graduada Maria Zawadowicz, fue publicado la semana pasada en la revista Química y Física Atmosféricas .

Bioaerosoles en un sistema climático complejo

Bioaerosoles, un subconjunto de aerosoles atmosféricos, son partículas biológicas o líquidos suspendidos en el aire en un momento dado. Estas emisiones consisten en bacterias en el aire enteras y fragmentadas, esporas de hongos, levadura, virus polen, y otros materiales del medio ambiente. Su solido contrapartes no biológicas, aerosoles inorgánicos, incluir materiales como partículas de polvo mineral como apatita y monacita, y productos de combustión industrial como cenizas volantes.

Los científicos han estado interesados ​​durante mucho tiempo en los bioaerosoles debido a su potencial para formar cirros de hielo, que tienen importantes implicaciones para el clima, lo que refleja, absorbente, y transmitir la luz solar así como la radiación infrarroja térmica de la Tierra. Bacterias como Pseudomonas syringae usan sus propiedades nucleantes para formar cristales de hielo en las plantas de tomate y los humanos las usaron para crear nieve artificial. Si bien los modelos atmosféricos y climáticos sugieren que los bioaerosoles, promediado globalmente, no son lo suficientemente abundantes y eficientes en la congelación como para influir significativamente en la formación de nubes, Los resultados de la investigación han variado significativamente.

"Ha habido mucho debate recientemente, en los últimos cinco a siete años, sobre la cantidad de material biológico que hay en la atmósfera, "Dice Cziczo." [Los hallazgos del estudio] están por todo el mapa, pero hay un grupo de estudios que dicen que es un pequeño porcentaje del aerosol atmosférico y hay algunos estudios que dicen que es mucho, 25 por ciento o 50 por ciento. Y entonces, esos son una especie de los dos campos que han estado ahí fuera, y puedes imaginar que estos tienen efectos realmente diferentes en nuestro sistema climático, sobre la precipitación, sobre química ".

Hasta ahora, La recopilación y la identificación positiva de bioaerosoles ha sido difícil. Las técnicas de medición específicas del bioaerosol incluyen la recolección de filtros junto con microscopía electrónica o microscopía óptica con tinción fluorescente. Los científicos también han utilizado la fluorescencia in situ con un sensor de bioaerosol integrado de banda ancha (WIBS), además de medir las formas y tamaños de las partículas. El problema con esto es la interferencia:a menudo se encuentra que los bioaerosoles tienen firmas químicas similares al humo, un aerosol inorgánico. Adicionalmente, los investigadores han intentado cultivar muestras para detectar cepas microbianas, además de analizar sus datos sin conexión, en el laboratorio. Estas técnicas inyectan una incertidumbre significativa en las mediciones y algunos estudios informaron concentraciones de bioaerosol mayores que la medición total de aerosol obtenida. lo cual es imposible.

En caso de que no fuera lo suficientemente complicado, Los aerosoles se alteran química y físicamente al entrar en la troposfera, interactuando con otros compuestos atmosféricos, y cuanto más tiempo estén ahí antes de caerse, cuanto más envejecen y se mezclan. Finalmente, todo esto varía según la región, temporada, clima, y altitud, que puede afectar las mediciones, borrando aún más la frontera entre bioaerosoles y aerosoles inorgánicos, y dificultando la cuantificación.

El grupo de investigación de Cziczo está interesado en la interrelación del material particulado y la formación de nubes. Su equipo utiliza estudios de laboratorio y de campo para dilucidar cómo las partículas pequeñas interactúan con el vapor de agua para formar gotas y cristales de hielo. que son actores importantes en el sistema climático de la Tierra. Los experimentos incluyen el uso de pequeñas cámaras de nubes en el laboratorio para imitar las condiciones atmosféricas que conducen a la formación de nubes y la observación de nubes in situ desde sitios remotos en la cima de las montañas o mediante el uso de aviones de investigación.

Desglose de aerosoles

"Una de las cosas que sospechábamos era que las formas anteriores de determinar el material biológico probablemente contaban en exceso [su abundancia] porque buscaban y caracterizaban otras cosas como biológicas que en realidad no lo eran, "Dice Cziczo.

Zawadowicz agrega:"Todo en la atmósfera está altamente procesado. Es lo que confunde muchas de estas mediciones".

Entonces, en un esfuerzo por controlar la incertidumbre que rodea a los bioaerosoles en la atmósfera y limitar su influencia en los procesos de formación de nubes, Cziczo y Zawadowicz, junto con colaboradores de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, desarrolló una técnica que combina una técnica llamada análisis de partículas por espectrometría de masas láser (PALMS) con el aprendizaje automático. Aquí, La espectrometría de masas de una sola partícula se utiliza para realizar la ablación e ionizar los aerosoles de uno en uno, descomponiéndolos en fragmentos de iones y grupos, que luego son detectados por el instrumento. Cada aerosol analizado de esta manera produce un espectro con características identificables de su composición, como una huella química.

El grupo aprovechó la presencia de fósforo en los espectros de masas para entrenar el algoritmo de aprendizaje automático de clasificación en muestras conocidas y luego, preparado lo aplicó a los datos de campo adquiridos del Laboratorio Storm Peak del Desert Research Institute en Steamboat Springs, Colorado, y del Estudio de Aerosoles Carbonáceos y Efectos Radiativos con sede en la ciudad de Cool, California.

"Entonces, lo que hizo María fue agarrar una gran cantidad de partículas diferentes, centrándose en los biológicos, bacterias tanto en estado vivo como muerto, esporas de hongos, polen, levadura, casi cualquier cosa que puedas imaginar que pueda convertirse en partículas atmosféricas, "Dice Cziczo." Y encontró formas de dispersar estos materiales y luego llevarlos al instrumento para que pudiéramos ver su composición ".

Algunas partículas se envejecieron químicamente para imitar las interacciones atmosféricas, otros, físicamente descompuestos para que fueran lo suficientemente pequeños como para ser analizados y nebulizados.

Sabiendo que las principales emisiones atmosféricas de fósforo provienen del polvo mineral, productos de combustion, y partículas biológicas, explotaron la presencia de iones fosfato y nitrógeno orgánico y sus proporciones características en muestras conocidas para clasificar las partículas. En bioaerosoles, el fósforo se encuentra principalmente en bicapas de fosfolípidos y ácidos nucleicos, mientras que en polvo mineral como apatita y monacita, se encuentra en forma de fosfato de calcio. Pero la división no se corta y se seca; compuestos como el polvo del suelo pueden incluir mezclas internas de componentes biológicos e inorgánicos.

Una vez analizado, Se utilizaron otros picos espectrales y marcadores para proporcionar evidencia adicional para la clasificación como biológica o no biológica y aumentar la confianza en el algoritmo y sus resultados.

"Descubrimos que si hacemos algunas proporciones de ciertos componentes en el espectro de masas, hay ciertos grupos que se forman, y empleamos algunas técnicas estadísticas avanzadas para desenredar los grupos y ver qué firmas son biológicas y cuáles no, ", Dice Zawadowicz. La nueva técnica fue capaz de clasificar con precisión el 97 por ciento de los espectros, y cuando se aplica a espectros de datos de campo, encontró que menos del 1 por ciento era biológico para el promedio mundial. Los inventarios de emisiones de fósforo ayudaron a confirmar esto.

La improbabilidad de un Whoville de la vida real

Si bien la lista de bioaerosoles probados y los conjuntos de datos utilizados, que no incluían ubicaciones y momentos de concentración alta y baja de bioaerosoles, no eran exhaustivos, el grupo encontró evidencia convincente de que, en lo que respecta a la formación de cirros, Los bioaerosoles eran un culpable poco probable. Investigaciones anteriores asumieron que la mayor parte del fósforo que se encuentra en la atmósfera era biológico, pero Cziczo señala que esto entra en conflicto con los inventarios de emisiones de fósforo, lo que implica que los compuestos inorgánicos a menudo se confundían con compuestos biológicos. Para Cziczo, este hallazgo de que los bioaerosoles representaban menos del 1 por ciento en promedio fue la prueba irrefutable.

"No es suficiente decir que una partícula es buena para nuclear hielo, también tiene que tener una abundancia que provoque la formación de nubes. Y parece mucho menos seguro ahora que tenemos suficientes de estos biológicos para crear el efecto que algunas personas han sugerido en la literatura, "Cziczo dice". En cambio, es mucho más probable que haya otras cosas que están causando la nucleación del hielo, como las partículas de polvo mineral ".

Aunque la investigación de Cziczo y Zawadowicz ha arrojado más sombra sobre la existencia de un "Whoville, "dicen que su trabajo acaba de comenzar.

"Ahora que entendemos cómo se ve [la presencia de bioaerosoles en la atmósfera], y tenemos algunos datos de campo para decir qué tan abundante es en diferentes estaciones en diferentes ubicaciones, la pregunta es:¿los modelos lo están haciendo bien? ", dice Cziczo, que tiene planes de colaborar con el científico investigador principal de EAPS, Chien Wang, y la profesora asociada Colette Heald en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT con un nombramiento conjunto en EAPS, ambos también investigan y modelan los impactos climáticos y de aerosoles. Dice Cziczo, "Vamos a estudiar la posibilidad de trabajar con ellos en el futuro y ver si podemos combinar todos estos datos:los datos de laboratorio, los datos de campo, y los modelos juntos ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.