Trovato in gioielleria, ricambi auto, pigmenti, e reazioni chimiche industriali, il cromo metallico e i suoi composti sono spesso impiegati per il loro colore, finire, e proprietà anticorrosive e catalitiche. Attualmente, geoscienziati e paleoceanografi del MIT e della Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) stanno cercando di aggiungere un altro uso a quell'elenco:come un modo per esaminare i cambiamenti chimici negli antichi oceani della Terra e nell'atmosfera che sono conservati nel paleorecord del fondo marino. Più specificamente, vogliono ricostruire i crescenti livelli di ossigeno atmosferico, iniziata circa 2,4 miliardi di anni fa, e il loro effetto sui mari. Poiché la biologia e l'ambiente sono intimamente intrecciati, queste informazioni potrebbero aiutare a chiarire come si sono evoluti la vita e il clima della Terra.

Mentre i ricercatori hanno ampiamente applicato il cromo come strumento per comprendere il record di roccia intorno a questa transizione globale, stanno ancora cercando di capire cosa significano i diversi segnali chimici. Ciò è particolarmente vero per la valutazione dei sedimenti oceanici, che potrebbe rivelare dove e quando l'ossigeno ha iniziato a penetrare e si stava formando negli oceani. Però, i paleoscienziati hanno in gran parte mancato di comprendere come tracce di cromo interagiscono meccanicamente e ciclano nei moderni, mari ossigenati, per non parlare dei primi oceani, una componente chiave necessaria per qualsiasi interpretazione, fino ad ora.

Ricerca recentemente pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze e guidato dallo studente laureato del MIT-Woods Hole Oceanographic Institution Joint Program Tianyi Huang ha studiato la promessa del metallo in tracce come paleoproxy per l'ossigeno. Per questo, il team ha monitorato come circolavano gli isotopi di cromo sensibili all'ossigeno e come venivano ossidati o ridotti chimicamente all'interno di una macchia d'acqua carente di ossigeno nell'Oceano Pacifico tropicale, un analogo per i primi, mari anaerobici. Le loro scoperte aiutano a convalidare il tracciamento del cromo come uno strumento affidabile nella cassetta degli attrezzi per la geologia.

"La gente ha visto che gli isotopi di cromo nelle registrazioni geologiche tracciano i livelli di ossigeno atmosferico. Ma, perché stai usando qualcosa che è sepolto nei sedimenti per interpretare ciò che sta accadendo nell'atmosfera, c'è un anello mancante in mezzo, e questo è l'oceano, " dice Huang. Inoltre, "come i cicli del cromo potrebbero cambiare le nostre interpretazioni dei record geologici".

"L'evoluzione dell'ossigeno sulla Terra è conosciuta solo in modo grossolano, ma è cruciale per lo sviluppo e la sopravvivenza della vita multicellulare complessa, "dice Ed Boyle, professore di geochimica oceanica del Dipartimento della Terra del MIT, Scienze Atmosferiche e Planetarie (EAPS); Direttore del programma congiunto MIT-WHOI; e coautore dello studio, insieme a Simone Moos Ph.D. '18 della Corporazione Elementare. "Inoltre, c'è una continua preoccupazione per gli ultimi decenni di diminuzione dei livelli di ossigeno oceanico nell'oceano, e abbiamo bisogno di strumenti per comprendere meglio le dinamiche dell'ossigeno nell'oceano".

Colmare un divario

Miliardi di anni fa, quando la Terra e la sua atmosfera erano essenzialmente prive di ossigeno molecolare (O2), reazioni chimiche e metabolismo biologico si sarebbero verificati in modo chimicamente ridotto, ambiente anaerobico. Durante il Grande Evento di Ossidazione, avvenuta nel corso di milioni di anni, i livelli di ossigeno sono aumentati in tutto il pianeta, e la vita è cambiata di conseguenza. Ulteriore, l'ambiente è diventato in gran parte ossidato che è alle prese con processi di stress come la ruggine e i radicali liberi.

Alcune prove hanno dimostrato che le reazioni chimiche che coinvolgono il cromo seguono questo processo, attraverso effetti sui suoi isotopi, cromo-52 e cromo-53, e i loro stati di ossidazione, principalmente il trivalente, forma ridotta Cr (III) e un esavalente, ossidato un Cr (VI). Quest'ultimo è più probabile che si trovi in ​​ossigenato, acqua di mare superficiale ed è considerato un pericolo per la salute e l'ambiente. Precedenti studi hanno dimostrato che l'oceano superiore tende ad avere più isotopi più pesanti rispetto a quelli più leggeri, suggerendo un assorbimento preferenziale da parte di microrganismi marini. Il problema, note di Huang, è che dopo che il cromo entra negli oceani dai fiumi, gli scienziati non conoscono davvero i meccanismi alla base di queste osservazioni e se le tendenze sono coerenti. Nelle odierne acque carenti di ossigeno, lei dice, "il cromo potrebbe essere potenzialmente ridotto, e vogliamo conoscere il segnale isotopico di quello e di altri processi del cromo che potrebbero lasciare un'impronta digitale dell'isotopo".

Per indagare su questi fenomeni, Huang si è unito a due crociere di ricerca nella zona carente di ossigeno (ODZ) dell'Oceano Pacifico settentrionale tropicale orientale e ha raccolto profili verticali di campioni di acqua di mare fino a 3, 500 metri dall'altra parte di un transetto di mare. Alcuni di questi campioni di acqua di mare sono stati congelati per essere analizzati per le concentrazioni di cromo trivalente ed esavalente. Dopo essere stato rispedito al laboratorio, questi campioni sono stati scongelati e purificati. Il team ha analizzato la composizione isotopica dei campioni di Cr (III). Hanno quindi acidificato i campioni di Cr (VI) per convertirli in Cr (III) prima di eseguire la stessa analisi isotopica di prima. I ricercatori hanno anche misurato il cromo totale nei campioni per poter tenere conto di eventuali trasformazioni chimiche o migrazioni all'interno dell'ODZ. Con l'aggiunta dei dati di un'altra crociera, Boyle, Moo, e Huang ha esaminato la frazione di ciascun isotopo nell'intervallo di profondità, rispetto a un partizionamento medio, per vedere se c'era un arricchimento in una particolare area dell'ODZ e in quale stato di ossidazione si trovava. Hanno confrontato questo con i livelli di ossigeno dei campioni e hanno messo i risultati nel contesto delle caratteristiche oceaniche conosciute per aiutare a spiegare come il cromo sta ciclando.

Una verità fondamentale per il ciclismo del cromo

Gli oceanografi hanno trovato uno schema. In superficie, oceano ossigenato, il cromo esavalente è stato consumato, probabilmente dalla vita microbica, e trasportato più in profondità, nell'ODZ. Intorno ai 200 metri, il metallo cominciò ad accumularsi nell'acqua di mare, e l'isotopo più leggero, cromo-52, è stato ridotto in via preferenziale. Questa profondità coincide con quella anaerobica, microbi denitrificanti che producono nitrito. Huang dice che questo potrebbe essere un segno che il ciclo dell'azoto e del cromo sono intrecciati, ma ciò non esclude altri meccanismi biotici o abiotici, come riduzione di ferro, che potrebbe influenzare i record di sedimenti oceanici.

Il cromo non indugia qui per sempre, anche se. Mentre i dati hanno mostrato che la maggior parte di esso è rimasto nella zona carente di ossigeno, che si estende da 90 a 800 metri, per circa 20-50 anni, una piccola parte di essa attaccata a particelle che affondano, sprofondò nell'oceano profondo dove c'è più ossigeno disciolto, e successivamente ossidato di nuovo a cromo esavalente. Qui, potrebbe iniziare a incorporare e interagire con i sedimenti.

"Penso che sia eccitante poter determinare le specie di cromo [ossidazione], e da ciò, potremmo calcolare il suo frazionamento isotopico, "dice Huang. "Nessuno l'ha mai fatto in questo modo prima d'ora."

Il loro lavoro, Huang dice, aiuta a convalidare il cromo come indicatore di diversi ambienti redox. "Stiamo vedendo questo segnale e non sta svanendo". Ulteriore, sembra coerente nel corso delle stagioni. Però, la squadra non è ancora convinta. Hanno in programma di testarlo in altre zone carenti di ossigeno in tutto il mondo per vedere se compare una simile firma di cromo, oltre a indagare la composizione delle particelle affondanti che trasportano il cromo trivalente e la superficie dei sedimenti oceanici, per avere un quadro più completo del coinvolgimento dell'oceano.

Per adesso, sconsigliano di trarre conclusioni, ma sono cautamente ottimisti circa il suo potenziale. "Penso che le persone debbano interpretare questo proxy con più cautela, " dice Huang. "Potrebbe non essere puramente l'ossigeno atmosferico a determinare la misurazione, ma potrebbero esserci altri processi [biotici o abiotici] nell'oceano che potrebbero alterare i loro paleocord". suggeriscono di non leggere troppo nei segnali di cromo nel paleorecord, ancora.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.