Geyman se sumerge en busca de una muestra de sedimento en las Bahamas. El análisis de las muestras ayuda a reconstruir la compleja química del pasado de la Tierra. Crédito:Emily Geyman
Cuando los científicos quieren estudiar el pasado geológico muy antiguo de la Tierra, por lo general hace más de 100 millones de años, a menudo recurren a rocas llamadas carbonatos.
Carbonatos de calcio, las formas más ubicuas de carbonato, son minerales que se precipitan del agua de mar y forman depósitos sedimentarios estratificados en el lecho marino. Se les conoce comúnmente como piedra caliza. Más de 3.500 millones de años de la historia de la Tierra están registrados en rocas carbonatadas. Muchos científicos los utilizan para reconstruir historias de cambios en el clima y el ciclo del carbono global pasado, es decir, el proceso a través del cual el carbono viaja entre los océanos, la atmósfera, la biosfera y la roca sólida.
"Se puede aprender mucho de los carbonatos, "dijo Emily Geyman, un graduado de Princeton en geociencias de 2019 y el autor principal de un artículo publicado el 8 de noviembre en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ). El artículo fue el resultado de la investigación de tesis de Geyman en la que investigó la composición química de los carbonatos y cómo estos carbonatos registran el ciclo del carbono.
"Lo que hace que los carbonatos sean especialmente útiles en comparación con algo como una piedra arenisca, "Geyman dijo, "es que el carbonato se precipita directamente del agua de mar, entonces la idea es que la química de los carbonatos, que podemos medir, nos dirá algo sobre el océano antiguo ".
Pero no todos los carbonatos se conservan en el registro geológico. Carbonatos de aguas profundas, por ejemplo, normalmente son subducidos, razón por la cual los científicos a menudo recurren a los carbonatos que se acumulan en las plataformas continentales poco profundas. El problema, sin embargo, es que los científicos aún no saben lo suficiente sobre cómo propiedades como la química del océano, temperatura del océano, la energía de las olas y la profundidad del agua se traducen en el registro de carbonato poco profundo.
Ahora, sin embargo, Los investigadores de Princeton están trabajando para abordar esta cuestión.
"Nadie había mirado realmente el equivalente de estas antiguas calizas que se están formando hoy y entendió la traducción, "dijo Adam Maloof, un profesor de geociencias que colaboró en el artículo con Geyman. "Es como intentar traducir textos antiguos sin una Rosetta Stone. Necesitábamos nuestra Rosetta Stone".
Los investigadores no solo encontraron su Piedra Rosetta en forma de una hipótesis innovadora, pero sus hallazgos desafían la lógica convencional sobre el uso de carbonatos para reconstruir ciclos de carbono globales pasados.
"Una de las mediciones más comunes que hacemos a partir de carbonatos antiguos es la composición de isótopos de carbono, ", dijo Geyman." Y vinculamos la composición del isótopo de carbono con las perturbaciones globales en el ciclo del carbono ".
El estudio de isótopos antiguos (diferentes formas del mismo elemento) es clave para comprender cuánto y por qué ha cambiado el ciclo global del carbono de la Tierra en el pasado. Esto es crucial porque el ciclo del carbono actúa como un termostato para regular la temperatura de la Tierra, Dijo Maloof. Comprender cómo funciona este termostato nos ayudará a predecir el cambio climático futuro.
Su investigación los llevó a la isla Andros en las Bahamas, una isla grande y casi completamente deshabitada situada en el Great Bahama Bank.
Las Bahamas son un gran lugar para estudiar el antiguo pasado geológico de la Tierra. "Durante gran parte de la historia de la Tierra, "Geyman dijo, "Gran parte de la superficie de la Tierra se parecía hoy a las Bahamas".
El objetivo era comprender cómo la química del agua controla la química de la roca; básicamente, cómo se registran los isótopos de carbono en entornos contemporáneos y qué podría decir esto sobre el ciclo del carbono pasado.
"Si quieres descubrir cómo era la química del agua de mar y el nivel del mar en el pasado, observando los carbonatos antiguos, "Geyman dijo, "tienes que ir al análogo moderno y preguntar 'bueno, ¿Cómo se forman los carbonatos modernos en este momento de acuerdo con la química oceánica actual y el nivel actual del mar? ""
Lo que encontraron y lo que han demostrado estudios previos, era que algo extraño estaba sucediendo en el sedimento de las Bahamas. La piedra caliza que se formó allí tenía carbono-13 que parecía demasiado alto en comparación con el plancton unicelular que flotaba alrededor del océano abierto.
Un gran porcentaje de carbonatos antiguos también demuestra este carbono-13 anormalmente alto. Si asume que esto refleja las condiciones globales del océano, Maloof señaló, "Estás atascado haciendo inferencias drásticas sobre grandes cambios en el ciclo del carbono".
En lugar de, Geyman y Maloof idearon una hipótesis que llaman "motor del ciclo del carbono diurno". Como su nombre indica, el proceso implica un ciclo de 24 horas. Cuando el sol brilla durante el día, Las plantas acuáticas extraen carbono-12 del agua a través del proceso de fotosíntesis y lo utilizan para producir material vegetal. Debido a que las plantas toman preferentemente carbono-12, el carbono restante en el agua se enriquece con carbono-13.
El componente esencial en este proceso es que la piedra caliza se forma más rápidamente durante el pico del día cuando ocurre la fotosíntesis porque la fotosíntesis hace que el agua esté más saturada con carbonato de calcio. Por la noche, la fotosíntesis da paso a la respiración aeróbica y el carbono secuestrado en el tejido de las plantas se devuelve al agua. Pero la formación de piedra caliza "casi no tiene registro" de la noche, Maloof dijo:porque hay muy poca precipitación. Si la precipitación ocurrió igualmente durante la noche, the average level of carbon-13 would be normal because carbon-12 would be introduced back to the system.
Este proceso, the researchers assert, can only happen when the water is sufficiently shallow and protected on continental shelves and platforms like the Bahamas. The same diurnal process occurs in the open ocean, but the movement of the waves constantly mixes and brings in new water so that carbon-13 is never elevated to such extremes.
The particular way Bahamian sediments absorb calcium carbonates from seawater complicates the picture of using ancient limestones to record a global carbon cycle. It can't be assumed that there was a single, uniform process of carbon cycling that characterized the past, Maloof said.
"We're using a modern analog to study the past, " Geyman added, "and the past is the key in many ways to understanding the future."
Geyman currently is pursuing a master's with a focus on glaciology at the University of Tromsø in Arctic Norway as part of a Sachs Global Fellowship from Princeton.
She conducted her Bahamas work as part of her junior and senior independent work at Princeton. An accomplished young scientist, she has already been the recipient of numerous awards and accolades. She received the Peter W. Stroh '51 Environmental Senior Thesis Prize, the Calvin Dodd MacCracken Award from Princeton's School of Engineering and Applied Science and the Edward Sampson 1914 Award for distinguished work in environmental geoscience.
Maloof has high praise for Geyman. "She can do anything, " he said. "Most of the time the really good observers do field work … they're not at the same time computer scientists who can make amazing analyses. And she is both."
The paper, "A diurnal carbon engine explains 13C-enriched carbonates without increasing the global production of oxygen, " by Emily Geyman and Adam Maloof, was published online Nov. 8 in the procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias