De temperatuur van een planeet is gekoppeld aan de diversiteit van het leven dat het kan ondersteunen. MIT-geologen hebben nu een tijdlijn van de temperatuur van de aarde tijdens het vroege Paleozoïcum gereconstrueerd, tussen 510 en 440 miljoen jaar geleden - een cruciale periode waarin dieren overvloedig werden in een voorheen door microben gedomineerde wereld.

In een studie die vandaag in de Proceedings van de National Academy of Sciences , de onderzoekers brengen dips en pieken in de mondiale temperatuur in kaart tijdens het vroege Paleozoïcum. Ze melden dat deze temperatuurschommelingen samenvallen met de veranderende levensdiversiteit van de planeet:warmere klimaten gaven de voorkeur aan microbieel leven, terwijl koelere temperaturen het mogelijk maakten om meer diverse dieren te laten gedijen.

De nieuwe plaat, gedetailleerder dan eerdere tijdlijnen van deze periode, is gebaseerd op de analyse van het team van carbonaatmodder - een veelvoorkomend type kalksteen dat ontstaat uit carbonaatrijke sedimenten die op de zeebodem zijn afgezet en gedurende honderden miljoenen jaren zijn verdicht.

"Nu we hebben aangetoond dat je deze carbonaatmodder kunt gebruiken als klimaatrecords, dat opent de deur om terug te kijken naar dit hele andere deel van de geschiedenis van de aarde waar geen fossielen zijn, als mensen niet echt veel weten over wat het klimaat was, " zegt hoofdauteur Sam Goldberg, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen (EAPS).

Goldbergs co-auteurs zijn Kristin Bergmann, de D. Reid Weedon, Jr. Professor in loopbaanontwikkeling bij EAPS, samen met Theodore Present van Caltech en Seth Finnegan van de University of California in Berkeley.

Voorbij fossielen

Om de temperatuur op aarde vele miljoenen jaren geleden te schatten, wetenschappers analyseren fossielen, vooral, overblijfselen van oude gepelde organismen die uit zeewater neersloegen en ofwel groeiden op of naar de zeebodem zonken. Als er neerslag valt, de temperatuur van het omringende water kan de samenstelling van de schelpen veranderen, het veranderen van de relatieve abundanties van twee isotopen van zuurstof:zuurstof-16, en zuurstof-18.

"Als voorbeeld, als carbonaat neerslaat bij 4 graden Celsius, meer zuurstof-18 komt in het mineraal terecht, uit dezelfde uitgangssamenstelling van water, [vergeleken met] carbonaat dat neerslaat bij 30 graden Celsius, " legt Bergmann uit. "Dus, de verhouding van zuurstof-18 tot -16 neemt toe naarmate de temperatuur afkoelt."

Op deze manier, wetenschappers hebben oude carbonaatschelpen gebruikt om de temperatuur van het omringende zeewater - een indicator van het algehele klimaat op aarde - te achterhalen op het moment dat de schelpen voor het eerst neersloegen. Maar deze benadering heeft wetenschappers slechts tot nu toe gebracht, tot de vroegste fossielen.

"Er is ongeveer 4 miljard jaar geschiedenis van de aarde waar er geen granaten waren, en dus schelpen geven ons alleen het laatste hoofdstuk, ' zegt Goudberg.

Een samengeklonterd isotoopsignaal

Dezelfde precipitatiereactie in schelpen vindt ook plaats in carbonaatmodder. Maar geologen gingen ervan uit dat de isotopenbalans in carbonaatmodder kwetsbaarder zou zijn voor chemische veranderingen.

"Mensen hebben modder vaak over het hoofd gezien. Ze dachten dat als je het als temperatuurindicator probeert te gebruiken, je kijkt misschien niet naar de oorspronkelijke oceaantemperatuur waarin het zich heeft gevormd, maar de temperatuur van een proces dat later plaatsvond, toen de modder een mijl onder het oppervlak werd begraven, ' zegt Goudberg.

Om te zien of carbonaatmodders de kenmerken van hun oorspronkelijke omgevingstemperatuur kunnen behouden, het team gebruikte "geklonterde isotoop-geochemie, " een techniek die wordt gebruikt in het laboratorium van Bergmann, die sedimenten analyseert op klonteren, of koppelen, van twee zware isotopen:zuurstof-18 en koolstof-13. De kans dat deze isotopen paren in carbonaatmodder hangt af van de temperatuur, maar wordt niet beïnvloed door de oceaanchemie waarin de modder zich vormt.

Het combineren van deze analyse met traditionele zuurstofisotoopmetingen zorgt voor extra beperkingen op de omstandigheden die een monster ervaart tussen de oorspronkelijke formatie en het heden. Het team redeneerde dat deze analyse een goede indicatie zou kunnen zijn van de vraag of carbonaatmodders sinds hun vorming onveranderd in samenstelling zijn gebleven. Door verlenging, dit zou kunnen betekenen dat de verhouding zuurstof-18 tot -16 in sommige modders nauwkeurig de oorspronkelijke temperatuur weergeeft waarop de rotsen gevormd zijn, waardoor ze kunnen worden gebruikt als klimaatrecord.

Pieken en dalen

De onderzoekers testten hun idee op monsters van carbonaatmodder die ze uit twee locaties haalden, een op Spitsbergen, een archipel in de Noordelijke IJszee, en de andere in het westen van Newfoundland. Beide sites staan ​​bekend om hun blootgestelde rotsen die dateren uit het vroege Paleozoïcum.

In 2016 en 2017, teams reisden eerst naar Spitsbergen, dan Newfoundland, om monsters van carbonaatmodder te verzamelen uit lagen afgezet sediment over een periode van 70 miljoen jaar, uit het midden van het Cambrium, toen dieren op aarde begonnen te bloeien, door de Ordovicium-periodes van het Paleozoïcum.

Toen ze de monsters analyseerden op samengeklonterde isotopen, ze ontdekten dat veel van de rotsen sinds hun vorming weinig chemische verandering hadden ondergaan. Ze gebruikten dit resultaat om de zuurstofisotoopverhoudingen van de rotsen van 10 verschillende vroege paleozoïsche locaties te verzamelen om de temperaturen te berekenen waarbij de rotsen gevormd werden. De temperaturen berekend op de meeste van deze locaties waren vergelijkbaar met eerder gepubliceerde fossiele temperatuurrecords met een lagere resolutie. Uiteindelijk, ze brachten een tijdlijn van temperatuur in kaart tijdens het vroege Paleozoïcum en vergeleken dit met het fossielenbestand uit die periode, om aan te tonen dat temperatuur een groot effect had op de diversiteit van het leven op de planeet.

"We ontdekten dat toen het warmer was aan het einde van het Cambrium en het vroege Ordovicium, er was ook een piek in microbiële overvloed, Goldberg zegt. "Van daaruit koelde het af naar het midden tot laat-Ordovicium, wanneer we overvloedige dierlijke fossielen zien, voordat een aanzienlijke ijstijd het Ordovicium beëindigt. Voorheen konden mensen alleen algemene trends waarnemen met behulp van fossielen. Omdat we een materiaal gebruikten dat zeer overvloedig is, we zouden een record met een hogere resolutie kunnen creëren en duidelijker gedefinieerde ups en downs kunnen zien."

Het team wil nu oudere modders analyseren, daterend van vóór het verschijnen van dieren, om de temperatuurveranderingen van de aarde vóór 540 miljoen jaar geleden te meten.

"Om verder te gaan dan 540 miljoen jaar geleden, we moeten worstelen met carbonaatmodder, omdat ze echt een van de weinige records zijn die we hebben om het klimaat in het verre verleden te beperken, ' zegt Bergmann.