Fossiele algen onthullen 500 miljoen jaar klimaatverandering

Om betere voorspellingen te doen over het klimaat in de toekomst, kijken geologen terug in het verre verleden naar de samenhang tussen veranderende CO2-concentraties en het klimaat. Wetenschappers van het Koninklijk Nederlands Instituut voor onderzoek der Zee (NIOZ) en de Universiteit Utrecht hebben nu een nieuwe manier gevonden waarmee ze oeroude CO2-concentraties goed in beeld krijgen, gebaseerd op fossiele fytaanmoleculen, een afvalproduct van de groene kleurstof van algen. Hiermee leggen zij een record aan klimaatgeschiedenis bloot: een ononderbroken weergave van CO2-concentraties op aarde, van een half miljard jaar geleden tot aan nu. Wat daarin te zien valt, bevestigt de wetenschappelijke aanname dat CO2-stijgingen die voorheen miljoenen jaren in beslag nam nu plaatsvinden in een eeuw. Deze bevindingen worden op 28 november gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances. ~~~ scroll down for English ~~~

Nu de CO 2 -concentratie in de atmosfeer snel toeneemt, is het van groot belang om te begrijpen welke impact dit heeft op klimaatverandering. Om betere klimaatvoorspellingen te doen, moeten we de lange-termijnveranderingen in het geologische verleden beter leren begrijpen. Wetenschappers konden al met directe metingen aan oude gassen die opgesloten zitten in de luchtbellen van ijskernen een miljoen jaar CO 2 -geschiedenis reconstrueren. Voor klimaatreconstructies die verder terug gaan in de tijd, ontwikkelden geologen verschillende indirecte indicatoren (proxies) van CO 2 -concentraties, op basis van planten en chemicaliën die bewaard zijn in sedimentlagen in de oceaan. Nu hebben de NIOZ-onderzoekers daaraan een nieuwe, veelbelovende CO 2 -proxy toegevoegd - fossiel fytaan - waarmee ze dieper dan ooit in het verleden kunnen terugkijken: 500 miljoen jaar, tot in het Cambrium, het tijdperk waarin de basis werd gelegd van de huidige diersoorten op aarde. Fytaan, een nieuwe manier van tijdreizen

"We hebben een nieuwe manier van tijdreizen ontwikkeld en gevalideerd. Daarmee gaan we verder terug in de tijd en bezoeken we zelfs meer plekken", vertelt NIOZ-onderzoeker Caitlyn Witkowski. "Met slechts één mariene proxy, fytaan, een afbraakproduct van chlorofyl, kunnen we de langste CO 2 -concentratiereeks reconstrueren. Deze informatie is van onschatbare waarde voor wetenschappers die via modellen het klimaat van de toekomst zo nauwkeurig mogelijk proberen te voorspellen." Witkowski en collega’s selecteerden meer dan 300 monsters van mariene sedimenten en oliën van over de hele wereld die samen de geologische tijdperken van de afgelopen 500 miljoen jaar omvatten. Kleine groene archieven

Chemische reacties die plaatsvonden in het verleden kunnen zijn opgeslagen in fossiele moleculen, waarmee ze een archief vormen van vroegere omgevingsomstandigheden. Geochemici kunnen daaruit informatie 'aflezen' zoals de zeewatertemperatuur, pH, zoutgehalte en ook de CO 2 -concentratie. Moleculen zoals fytaan geeft aan hoe groot de CO 2 -druk was in het oceaanwater en in de atmosfeer. Hoewel veel fytaan moleculen de potentie hebben om CO 2 -concentraties uit het verleden te achterhalen, is fytaan speciaal. Fytaan is de groene kleurstof die verantwoordelijk is voor onze groene wereld. Alles wat fotosynthese gebruikt om zonlicht te absorberen, inclusief planten, algen en sommige bacteriën, heeft chlorofyl waaruit fytaan komt. Planten en algen nemen CO 2 op en produceren zuurstof. Omdat chlorofyl overal ter wereld voorkomt, is ook fytaan overal te vinden en is het een belangrijk bestandsdeel van vergane en versteende biomassa. "De chemische samenstelling van fytaan verandert niet in de loop van de tijd, zelfs niet als het miljoenen jaren oud is", zegt Witkowski.

Opdelen in koolstofisotopen

CO 2 -concentraties uit het verleden worden geschat op basis van organisch materiaal, zoals fytaan, door het fenomeen 'koolstof isotopenfractionering', een chemisch proces dat plaatsvindt tijdens de fotosynthese. Bij hun opname van CO 2 verkiezen planten en algen lichte koolstofisotopen (12C) boven zware koolstofisotopen (13C). Ze gebruiken alleen de zware koolstofisotopen wanneer de CO 2 -concentratie in het water of de atmosfeer laag is. De verhouding tussen deze twee isotopen weerspiegelt daarom de koolstofdioxideconcentratie in de omgeving waar de planten en algen groeiden. Dit verklaart waarom Witkowski geen fossiele landplanten, maar alleen fytaan van fossiele zeealgen kon gebruiken voor haar onderzoek. De plantenwereld is opgedeeld in de zogenoemde C3- en C4-planten, ieder met hun eigen unieke verhouding van lichte tot zware koolstof. De onderlinge verschillen zijn het grootst tussen planten die op land groeien. Maar alle mariene algen – fytoplankton - hebben onderling zeer vergelijkbare verhoudingen. Witkowski: "Door alleen mariene bronnen te kiezen, konden we de onzekerheid van de fytaanbron in de dataset beperken." "In onze gegevens zien we hele hoge niveaus van koolstofdioxide, van 1000 ppm in tegenstelling tot de huidige 410 ppm. Bezien vanuit dit perspectief, zijn de huidige concentraties niet uniek, maar de snelheid waarmee die veranderingen nu plaatsvinden, is wel uniek. Veranderingen die meestal miljoenen jaren duren, vinden nu in een eeuw plaats. Onze extra CO 2 -gegevens kunnen helpen de toekomst van onze planeet te begrijpen. In toekomstig onderzoek kan de fytaanproxy worden gebruikt om nog verder terug in de tijd te gaan, verder dan het geologisch tijdperk Phanerozoicum; de alleroudste fytaan moleculen die zijn gevonden, zijn twee miljard jaar oud."

Fossil algae reveal 500 million years of climate change

Earth scientists are able to travel far back in time to reconstruct the geological past and paleoclimate to make better predictions about future climate conditions. Scientists at the Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ) and Utrecht University succeeded in developing a new indicator (proxy) of ancient CO 2 -levels, using the organic molecule phytane, a debris product of chlorophyll. This new organic proxy not only provides the most continuous record of CO 2 -concentrations ever, it also breaks a record in its time span, covering half a billion years. The data show the present idea that rises in CO 2 -levels that used to take millions of years, are now happening in a century. These findings are published in Science Advances on November 28th.



As CO 2 increases today, it’s vital to understand what impact these changes will have. To better predict the future, we must understand long-term changes in CO 2 over geologic history. Direct measurements of past CO 2 are available, e.g. bubbles in ice cores containing ancient gases. However, ice cores have a limited time span of one million years. To go farther back in time, earth scientists have developed various indirect measurements of CO 2 from proxies e.g. from algae, leaves, ancient soils and chemicals stored in ancient sediments to reconstruct past environmental conditions.



Phytane, a new way to travel in time

A new proxy, using a degradation product of chlorophyll, allows geochemists to infer a continuous record of historic CO 2 -levels in deep time. Scientists at NIOZ have recently developed phytane as a promising new organic proxy that uncovers half a billion years of CO 2 -levels in the oceans, from the Cambrian until recent times.



Using the new proxy, they were able to make the most continuous record of ancient carbon dioxide levels ever. "We developed and validated a new way to time travel – going farther back in time and to more places", says NIOZ-scientist Caitlyn Witkowski. "With phytane, we now have the longest CO 2 -record with one single marine proxy. This new data is invaluable to modelers who can now more accurately make predictions of the future."



Witkowski and colleagues selected more than 300 samples of marine sediments from deep sea cores and oils from all over the globe, reflecting the majority of geological periods in the last 500 million years. Fossil molecules

Past chemical reactions can be 'stored' in fossil molecules, and so they may reflect various ancient environmental conditions. Geochemists are able to 'read' these conditions, such as seawater temperature, pH, salinity and CO 2 -levels. Organic matter, such as phytane, reflects the pressure of CO 2 in ocean water or the atmosphere (pCO 2 ). Little green miracles

Although all organic matter has the potential to reflect CO 2 , phytane is special. Phytane is the pigment responsible for our green world. Anything that uses photosynthesis to absorb sunlight, including plants, algae, and some species of bacteria, has chlorophyll from which phytane comes. Plants and algae take in CO 2 and produce oxygen. Without these little green miracles, our world just wouldn't be the same.



Because chlorophyll is found all around the world, phytane is also everywhere and is a major constituent of decayed and fossilized biomass. "Phytane doesn’t chemically change over the course of time, even if it is millions of years old," Witkowski says.