从波涛汹涌的表面到墨黑的深渊，地球的海洋中散布着被称为浮游植物的微小生物的遗骸，它们在生命周期中构成了海洋食物链的基础。
这些微观的幽灵包含着估计高达 662 吉吨的碳储量，是所有活植物和动物所储存量的 200 倍，如果从其水生坟墓中以导致地球变暖的二氧化碳形式释放出来，可能会对我们造成威胁。
这些浮游生物残骸中一些含碳分子将在海底被锁住数百万年，但有些会分解并以二氧化碳的形式进入大气层。很大一部分将继续在海洋中自由循环数代。但是，究竟哪些分子注定要走向何种命运——因此，这个巨大的碳库中有多少将通过海洋变暖、酸化、阳光或微生物消化而进入大气层，这仍然是一个悬而未决的问题。要回答这个问题，需要更清楚地了解包含这种碳的分子结构。一个国际科学家团队现在已经拍摄了这些分子的第一批“照片”，以努力开始解析这些信息。这第一次的观察表明，虽然碳的灾难性分解和释放似乎不太可能，但关于海洋碳的行为还有很多需要了解的地方。
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据估计，大约 5000 种含碳浮游分子中，只有约 10% 被识别出来，尽管它们大量存在；大多数结构都只是被假设出来。要实际观察它们是具有挑战性的，因为收集一毫升用于研究的样本需要过滤 3600 升海水。而且，以前用来破译存在哪些原子的技术需要将分子分解，对于首先将它们结合在一起的化学键几乎没有洞察力。
一个来自海洋的含碳分子的分子骨架动画，叠加了其真实的化学结构。这种结构更耐分解。图片来源：IBM Research
在本月发表在《地球物理研究快报》上的新研究中，该团队使用了一种称为原子力显微镜的技术来创建含碳分子的视觉图像。首先，研究人员将分子隔离在深真空中的一个极其平坦的表面上，将其冷却至 -450.7 华氏度，使其静止不动。然后，一个尖端带有一个一氧化碳分子的微小扫描臂在受试分子的表面上移动，以测量峰值、谷值和整体形状。（一氧化碳已被证明是测量这些原子尺寸最敏感的分子。）研究人员发现，来自海洋表面的分子很难成像，因为它们是“三维且体积庞大”，来自 IBM Research - Zurich 的原子显微镜专家团队成员 Leo Gross 说。“较深的分子更容易成像，因为它们的表面是平面的。”*
该研究发现，深层分子较小且具有环状结构，这有助于它们抵抗可能以其他方式降解它们的力量；这使得它们在海洋中积累。放射性碳测年表明，其中一些已经在深海中循环了 4500 多年，而表面分子可能只有几个月大，因为大多数分子很快就被微生物吞噬或被阳光或其他生物过程分解。苏黎世大学的海洋学家团队成员 Alysha Coppola 认为，深层分子可能过于分散而难以让微生物找到——或者这些极其顽强的分子本身可能是微生物消化的副产品。**“它们有点像海洋中的橡胶轮胎”，她表示，这些分子可能对微生物也同样没有吸引力。
迈阿密大学的海洋学教授 Dennis Hansell 长期研究溶解的海洋碳，但并未参与这项新研究，他表示，能够对实际分子成像是一项重要的进步。“我们海洋科学家不知道有哪些保护措施可以阻止这种物质被微生物消耗，”他说。“所以这些视觉上引人注目的结果使我们更接近于理解这一点。”
表面分子和在海洋深处发现的分子之间在结构和稳定性方面的差异只是理解这种碳是否会在可预见的未来被锁定住的起点，或者诸如变暖、酸度或溶解氧减少等条件是否会引发更快的分解。“它已经循环了数千年——鉴于它的结构，我认为它不会改变，”Coppola 说。“但是气候的微小变化可能会产生很大的影响，因为碳实在太多了——而且它无处不在。”
编者注（2018 年 8 月 8 日）
*本段在发布后进行了编辑，以更正 Leo Gross 的隶属关系以及使用的显微镜类型名称。
**本句在发布后进行了编辑，以更新 Alysha Coppola 的隶属关系。