Vrijwel al het zeeleven is afhankelijk van de productiviteit van fytoplankton - microscopisch kleine organismen die onvermoeibaar werken aan het oppervlak van de oceaan om de koolstofdioxide te absorberen die vanuit de atmosfeer in de bovenste oceaan wordt opgelost.

Door fotosynthese, deze microben breken koolstofdioxide af tot zuurstof, waarvan sommige uiteindelijk weer in de atmosfeer terechtkomen, en organische koolstof, die ze bewaren totdat ze zelf worden geconsumeerd. Deze van plankton afgeleide koolstof voedt de rest van het mariene voedselweb, van de kleinste garnalen tot gigantische zeeschildpadden en bultruggen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het MIT, Woods Hole Oceanografische Instelling (WHOI), en elders hebben bewijs gevonden dat de productiviteit van fytoplankton gestaag afneemt in de Noord-Atlantische Oceaan, een van 's werelds meest productieve zeebekkens.

In een krant die vandaag verschijnt in Natuur , de onderzoekers melden dat de productiviteit van fytoplankton in deze belangrijke regio sinds het midden van de 19e eeuw en het begin van het industriële tijdperk met ongeveer 10 procent is gedaald. Deze daling valt samen met gestaag stijgende oppervlaktetemperaturen in dezelfde periode.

Mattheus Osman, de hoofdauteur van het artikel en een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen en het MIT/WHOI Joint Program in Oceanography, zegt dat er aanwijzingen zijn dat de productiviteit van fytoplankton verder kan afnemen naarmate de temperatuur blijft stijgen als gevolg van door de mens veroorzaakte klimaatverandering.

"Het is een significant genoeg daling dat we ons zorgen moeten maken, " zegt Osman. "De hoeveelheid productiviteit in de oceanen komt ongeveer overeen met hoeveel fytoplankton je hebt. Dus dit vertaalt zich naar 10 procent van de mariene voedselbasis in deze regio die verloren is gegaan in het industriële tijdperk. Als we een groeiende bevolking hebben maar een afnemende voedselbasis, op een gegeven moment zullen we waarschijnlijk de effecten van die achteruitgang voelen."

Door "pannenkoeken" van ijs boren

Osman en zijn collega's zochten naar trends in de productiviteit van fytoplankton met behulp van de moleculaire verbinding methaansulfonzuur, of MSA. Wanneer fytoplankton uitgroeit tot grote bloemen, bepaalde microben stoten dimethylsulfide uit, of DMS, een aerosol die in de atmosfeer wordt gebracht en uiteindelijk afbreekt als sulfaataerosol, of MSA, die vervolgens door de wind op zee of op het land wordt afgezet.

"In tegenstelling tot sulfaat, die vele bronnen in de atmosfeer kan hebben, ongeveer 30 jaar geleden werd erkend dat MSA een zeer uniek aspect had, dat is dat het alleen is afgeleid van DMS, die op zijn beurt alleen is afgeleid van deze fytoplanktonbloei, " zegt Osman. "Dus elke MSA die je meet, je kunt er zeker van zijn dat het maar één unieke bron heeft:fytoplankton."

In de Noord-Atlantische Oceaan, fytoplankton produceerde waarschijnlijk MSA dat in het noorden werd afgezet, ook over Groenland. De onderzoekers maten MSA in ijskernen in Groenland - in dit geval met behulp van 100 tot 200 meter lange kolommen sneeuw en ijs die lagen van eerdere sneeuwvalgebeurtenissen vertegenwoordigen die gedurende honderden jaren bewaard zijn gebleven.

"Het zijn in feite sedimentaire ijslagen die door de eeuwen heen op elkaar zijn gestapeld, zoals pannenkoeken, ' zegt Osman.

Het team analyseerde in totaal 12 ijskernen, elk verzameld vanaf een andere locatie op de Groenlandse ijskap door verschillende groepen van de jaren tachtig tot heden. Osman en zijn adviseur Sarah Das, een associate scientist bij WHOI en co-auteur van het papier, een van de kernen verzameld tijdens een expeditie in april 2015.

"De omstandigheden kunnen erg zwaar zijn, " zegt Osman. "Het is min 30 graden Celsius, winderig, en er zijn vaak white-out-omstandigheden in een sneeuwstorm, waar het moeilijk is om de lucht te onderscheiden van de ijskap zelf."

Het team kon desondanks uitpakken, meter voor meter, een 100 meter lange kern, met behulp van een gigantische boormachine die via een klein ski-uitgerust vliegtuig op de locatie van het team werd afgeleverd. Ze hebben elk ijskernsegment onmiddellijk gearchiveerd in een zwaar geïsoleerde koelbox, vervolgens vlogen de dozen op "koude dekvluchten" - vliegtuigen met omgevingsomstandigheden van ongeveer min 20 graden Celsius. Toen de vliegtuigen eenmaal waren geland, vrieswagens vervoerden de ijskernen naar de ijskernlaboratoria van de wetenschappers.

"Het hele proces van hoe men veilig een stuk ijs van 100 meter uit Groenland vervoert, bewaard bij min-20 graden, terug naar de Verenigde Staten is een enorme onderneming, ' zegt Osman.

Trapsgewijze effecten

Het team gebruikte de expertise van onderzoekers in verschillende laboratoria over de hele wereld bij het analyseren van elk van de 12 ijskernen voor MSA. Over alle 12 records, ze zagen een opvallende daling van de MSA-concentraties, vanaf het midden van de 19e eeuw, rond het begin van het industriële tijdperk, toen de grootschalige productie van broeikasgassen begon. Deze daling van MSA houdt rechtstreeks verband met een daling van de productiviteit van fytoplankton in de Noord-Atlantische Oceaan.

"Dit is de eerste keer dat we deze ijskern-MSA-records uit heel Groenland gezamenlijk gebruiken, en ze laten dit coherente signaal zien. We zien een langetermijndaling die begint rond dezelfde tijd als toen we het klimaatsysteem begonnen te verstoren met de uitstoot van broeikasgassen op industriële schaal, ", zegt Osman. "De Noord-Atlantische Oceaan is zo'n productief gebied, en er is een enorme multinationale visserij-economie die verband houdt met deze productiviteit. Alle veranderingen aan de basis van deze voedselketen zullen een cascade-effect hebben dat we uiteindelijk aan onze eettafels zullen voelen."

De meerjarige daling van de productiviteit van fytoplankton lijkt niet alleen samen te vallen met gelijktijdige langdurige opwarmingstemperaturen; het toont ook synchrone variaties op decadale tijdschalen met het grootschalige oceaancirculatiepatroon dat bekend staat als de Atlantische Meridional Overturning Circulation, of AMOC. Dit circulatiepatroon werkt typisch om lagen van de diepe oceaan te mengen met het oppervlak, waardoor de broodnodige voedingsstoffen kunnen worden uitgewisseld waarop fytoplankton zich voedt.

In recente jaren, wetenschappers hebben bewijs gevonden dat AMOC verzwakt, een proces dat nog steeds niet goed wordt begrepen, maar dat gedeeltelijk te wijten kan zijn aan de opwarming van de aarde die het smelten van het Groenlandse ijs doet toenemen. Deze ijssmelt heeft een instroom van minder dicht zoet water naar de Noord-Atlantische Oceaan toegevoegd, die werkt om te stratificeren, of de lagen scheiden, net als olie en water, voorkomen dat voedingsstoffen in de diepte opwellen naar de oppervlakte. Deze door de opwarming veroorzaakte verzwakking van de oceaancirculatie zou de achteruitgang van fytoplankton kunnen veroorzaken. Terwijl de atmosfeer de bovenste oceaan in het algemeen opwarmt, dit zou ook de gelaagdheid van de oceaan kunnen bevorderen, verslechtering van de productiviteit van fytoplankton.

"Het is een een-tweetje, " zegt Osman. "Het is geen goed nieuws, maar het gevolg hiervan is dat we geen aanspraak meer kunnen maken op onwetendheid. We hebben bewijs dat dit gebeurt, en dat is de eerste stap die je moet nemen om het probleem op te lossen, maar dat doen we."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.