Toen de landmassa die nu het Indiase subcontinent is, ongeveer 50 miljoen jaar geleden Azië insloeg, de botsing veranderde de configuratie van de continenten, het landschap, wereldklimaat en meer. Nu heeft een team van wetenschappers van Princeton University nog een effect geïdentificeerd:de zuurstof in de oceanen van de wereld nam toe, de levensomstandigheden veranderen.

"Deze resultaten zijn anders dan alles wat mensen eerder hebben gezien, " zei Emma Kast, een afgestudeerde student geowetenschappen en de hoofdauteur van een paper die op 26 april in Science verschijnt. "De omvang van de gereconstrueerde verandering verraste ons."

Kast gebruikte microscopisch kleine zeeschelpen om een ​​record van oceaanstikstof te creëren over een periode van 70 miljoen jaar geleden - kort voor het uitsterven van de dinosaurussen - tot 30 miljoen jaar geleden. Dit record is een enorme bijdrage op het gebied van wereldwijde klimaatstudies, zei John Higgins, een universitair hoofddocent geowetenschappen aan Princeton en een co-auteur van het papier.

"In ons vakgebied er zijn records die u als fundamenteel beschouwt, die moeten worden verklaard door elke soort hypothese die biogeochemische verbindingen wil maken, Higgins zei. "Dat zijn er maar weinig tussen, deels omdat het erg moeilijk is om records te maken die ver teruggaan in de tijd. Vijftig miljoen jaar oude stenen geven niet gewillig hun geheimen prijs. Ik zou Emma's record zeker als een van die fundamentele records beschouwen. Vanaf nu, mensen die willen weten hoe de aarde de afgelopen 70 miljoen jaar is veranderd, zullen zich moeten bezighouden met Emma's gegevens."

Behalve dat het het meest voorkomende gas in de atmosfeer is, stikstof is de sleutel tot al het leven op aarde. "Ik bestudeer stikstof zodat ik het mondiale milieu kan bestuderen, " zei Daniël Sigman, Princeton's Dusenbury hoogleraar geologische en geofysische wetenschappen en de senior auteur van het papier. Sigman startte dit project met Higgins en de toenmalige postdoctoraal onderzoeker Daniel Stolper van Princeton, die nu een assistent-professor aard- en planetaire wetenschap is aan de Universiteit van Californië-Berkeley.

Elk organisme op aarde heeft 'vaste' stikstof nodig, ook wel 'biologisch beschikbare stikstof' genoemd. Stikstof vormt 78% van de atmosfeer van onze planeet, maar weinig organismen kunnen het "repareren" door het gas om te zetten in een biologisch bruikbare vorm. In de oceanen, cyanobacteriën in oppervlaktewateren leggen stikstof vast voor al het andere oceaanleven. Terwijl de cyanobacteriën en andere wezens sterven en naar beneden zinken, ze ontleden.

Stikstof heeft twee stabiele isotopen, ¹⁵ N en ¹⁴ N. In zuurstofarme wateren, afbraak verbruikt "vaste" stikstof. Dit gebeurt met een lichte voorkeur voor de lichtere stikstofisotoop, ¹⁴ N, dus de oceaan ¹⁵ N-naar- ¹⁴ N-verhouding weerspiegelt het zuurstofgehalte.

Die verhouding wordt tijdens hun leven opgenomen in kleine zeedieren die foraminiferen worden genoemd, en vervolgens bewaard in hun schelpen wanneer ze sterven. Door hun fossielen te analyseren - verzameld door het Ocean Drilling Program uit de Noord-Atlantische Oceaan, noordelijke Stille Oceaan, en Zuid-Atlantische Oceaan - Kast en haar collega's waren in staat om de ¹⁵ N-naar- ¹⁴ N-verhouding van de oude oceaan, en daarom eerdere veranderingen in zuurstofniveaus te identificeren.

Zuurstof regelt de verspreiding van mariene organismen, met zuurstofarme wateren die slecht zijn voor het meeste oceaanleven. Veel eerdere klimaatopwarmingsgebeurtenissen veroorzaakten een afname van de zuurstof in de oceaan die de leefgebieden van zeedieren beperkte, van microscopisch plankton tot de vissen en walvissen die zich ermee voeden. Wetenschappers die de impact van de huidige en toekomstige opwarming van de aarde proberen te voorspellen, hebben gewaarschuwd dat lage niveaus van zuurstof in de oceaan mariene ecosystemen kunnen decimeren, waaronder belangrijke vispopulaties.

Toen de onderzoekers hun ongekende geologische record van oceaanstikstof verzamelden, ontdekten ze dat in de 10 miljoen jaar nadat dinosaurussen uitstierven, de 15N-tot-14N-verhouding was hoog, wat suggereert dat het zuurstofgehalte in de oceaan laag was. Ze dachten eerst dat het warme klimaat van die tijd verantwoordelijk was, omdat zuurstof minder oplosbaar is in warmer water. Maar de timing vertelde een ander verhaal:de verandering naar hogere zuurstof in de oceaan vond ongeveer 55 miljoen jaar geleden plaats, in een tijd van continu warm klimaat.

"In tegenstelling tot onze eerste verwachtingen, het mondiale klimaat was niet de primaire oorzaak van deze verandering in de zuurstof- en stikstofcyclus in de oceaan, "Zei Kast. De meest waarschijnlijke boosdoener? Platentektoniek. De botsing van India met Azië - door de legendarische geowetenschapper Wally Broecker "de botsing die de wereld veranderde" genoemd. een grondlegger van modern klimaatonderzoek - sloot een oude zee af, de Tethys genaamd, het continentaal plat en hun verbindingen met de open oceaan verstoren.

"Gedurende miljoenen jaren, tektonische veranderingen kunnen enorme effecten hebben op de oceaancirculatie, " zei Sigman. Maar dat betekent niet dat klimaatverandering kan worden verdisconteerd, hij voegde toe. "Op tijdschalen van jaren tot millennia, klimaat heeft de overhand."

"Stikstofisotoop bewijs voor uitgebreide oceaansuboxia in het vroege Cenozoïcum, " door Emma R. Kast, Daniël A. Stolper, Alexandra Ouderset, John A. Higgins, Haojia Ren, Xingchen T. Wang, Alfredo Martínez-Garcia, Gerald H. Haug en Daniel M. Sigman, verschijnt in het nummer van 26 april van Wetenschap en werd online uitgebracht op 25 april.