Hoe kunnen we iets weten over het kooldioxidegehalte in de atmosfeer in het diepe verleden van de aarde? Kleine belletjes gevangen in ijs bieden monsters van oude lucht, maar dit record gaat slechts 800 terug, 000 jaar. Om verder terug te gaan, wetenschappers moeten afhankelijk zijn van klimaatproxy's, of meetbare parameters die systematisch variëren met de klimaatomstandigheden.

De standaard proxy is de zuurstofisotoopverhoudingen in minuscuul zoöplankton, foraminiferen genaamd. Er zijn meer dan 50, 000 verschillende soorten van deze insecten, 10, 000 levend en 40, 000 uitgestorven. Omdat de foraminiferenschelpen vrij getrouw de verhoudingen van zuurstofisotopen in zeewater registreren, ze geven een signaal dat kan worden gebruikt om oude temperaturen af ​​te leiden.

Maar er is nog een andere potentiële proxy die stof verzamelt in het sedimentaire archief:klein fytoplankton genaamd coccolithoforen. Ze worden in grote aantallen gevonden in de zonlichtlaag van de oceaan. Hun kleine, wieldop-achtige platen, coccolieten genoemd, zijn het hoofdbestanddeel van het krijt, de Late Krijt-formatie die ontspringt bij de White Cliffs of Dover, en een belangrijk onderdeel van de "kalkhoudende slijk" die een groot deel van de zeebodem bedekt.

Omdat coccolithoforen primaire producenten zijn die belangrijk zijn voor de biogeochemie van de oceaan, zijn het goed bestudeerde organismen. Ze worden minder gebruikt voor paleoceanografische reconstructies dan foraminiferen, echter, omdat ze hun platen in hun cellen creëren in plaats van ze rechtstreeks uit zeewater te laten neerslaan. Dit betekent dat er een grote biologische overdruk op het klimaatsignaal zit waardoor het moeilijk te interpreteren is.

Maar nieuwe bevindingen, gepubliceerd in het 28 februari nummer van het tijdschrift Natuurcommunicatie , zou dat kunnen veranderen. Herscheppen van de prehistorische omgeving in laboratoriumomstandigheden, een team van wetenschappers van de Universiteit van Oxford, waaronder Harry McClelland, nu een postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan de Washington University in St. Louis, en het Plymouth Marine Laboratory kweekte verschillende soorten van deze algen, elk met verschillende koolstofniveaus.

Met deze experimentele gegevens ze creëerden een wiskundig model van koolstoffluxen in de coccolithophore-cel dat voorheen onverklaarbare variaties in de isotopensamenstelling van de bloedplaatjes die de algen produceren, verklaart en het raamwerk biedt voor de ontwikkeling van een nieuwe reeks proxy's.

goed begrepen, de "ruis" kan zelf een signaal zijn. Coccolieten bieden een venster op oude biologie en klimaat, aldus McClelland.

Zware en lichte coccolieten

McClelland legt uit dat de wetenschappers begonnen met een beetje een mysterie. Coccolieten waren verdeeld in twee groepen - een lichte en een zware groep - op basis van het feit of de bloedplaatjes die ze neersloegen armer of rijker waren aan de zeldzamere zware isotoop van koolstof in vergelijking met calciumcarbonaat gevormd door fysieke (abiotische) processen. De afwijkingen van de abiotische norm waren "zowel groot als raadselachtig, ' zei McClelland.

Zware isotopen ondergaan dezelfde chemische reacties als lichte isotopen, maar, simpelweg omdat ze een iets andere massa hebben, ze doen dit tegen iets andere tarieven. Deze kleine verschillen in reactiesnelheden zorgen ervoor dat de producten van reacties andere isotopenverhoudingen hebben dan de bronmaterialen.

De coccolithoforen voeren de relevante koolstofchemie uit in twee verschillende cellulaire compartimenten:de chloroplast, waar fotosynthese plaatsvindt, en coccolietblaasjes, waar bloedplaatjes neerslaan. Het grootste probleem met het ontcijferen van hun isotopenrecord, het algenblad, is dat deze twee processen de isotopensamenstelling van de koolstofpool in tegengestelde richtingen sturen.

In hun chloroplasten, coccolithoforen nemen anorganische koolstof en bouwen het in biologische moleculen. Dit proces verloopt veel sneller voor de CO2 die de lichte isotoop koolstof bevat, waardoor de isotopensamenstelling afdrijft naar de zwaardere variant. Bloedplaatjes groeien in coccolietblaasjes, anderzijds, neem bij voorkeur de zwaardere vorm van koolstof uit de substraatpool op.

Het team koos een aantal coccolithophore-soorten, zowel licht als zwaar, en kweekte ze in het laboratorium - "het is niet zo heel anders dan tuinieren, McClelland zei" - en bouwde vervolgens een wiskundig model van de cel dat de isotopische uitkomsten kon voorspellen voor alle soorten waarvoor gegevens beschikbaar waren.

Ze konden aantonen dat de verhouding tussen verkalking en fotosynthese bepaalt of de bloedplaatjes isotopisch zwaarder of lichter zijn dan abiogeen calciumcarbonaat. Ze waren in staat om de omvang van het vertrek en de richting ervan uit te leggen.

Voor McClelland, het meest opwindende deel van de studie is dat het een venster opent op de biologie van oude wezens. Als mensen foraminiferen gebruiken als klimaatproxy, hij zei, ze kiezen meestal één soort en gaan uit van een constant biologisch effect, of gecompenseerd. Maar we kunnen de impact van verschillende biologie zien in de chemische handtekeningen van de coccolithoforen.

Met meer onderzoek, zei McClelland zei, Op coccoliet gebaseerde isotopenverhoudingen zouden kunnen worden ontwikkeld tot een paleobarometer die ons zou helpen de gevoeligheid van het klimaatsysteem voor atmosferische kooldioxide te begrijpen.

"Ons model stelt wetenschappers in staat om algensignalen uit het verleden te begrijpen, zoals nooit tevoren. Het ontsluit het potentieel van gefossiliseerde coccolithoforen om een ​​routinegereedschap te worden, gebruikt bij het bestuderen van oude algenfysiologie en uiteindelijk ook als een recorder van vroegere CO2-niveaus, " zei senior auteur Rosalind Rickaby, hoogleraar biogeochemie in Oxford.