Stel je voor dat er geen blanke is, maar een groen noordpoolgebied, met houtachtige struiken zo ver noordelijk als de Canadese kust van de Noordelijke IJszee. Zo zag de meest noordelijke regio van Noord-Amerika er ongeveer 125 uit, 000 jaar geleden, tijdens de laatste interglaciale periode, vindt nieuw onderzoek van de Universiteit van Colorado Boulder.

Onderzoekers analyseerden planten-DNA meer dan 100, 000 jaar oud teruggevonden uit meersediment in het noordpoolgebied (het oudste DNA in meersediment geanalyseerd in een publicatie tot nu toe) en vond bewijs van een struik die inheems is in Noord-Canadese ecosystemen 250 mijl (400 km) verder naar het noorden dan zijn huidige bereik.

Aangezien het noordpoolgebied veel sneller opwarmt dan overal ter wereld als reactie op klimaatverandering, de bevindingen, deze week gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences, misschien niet alleen een glimp van het verleden, maar een momentopname van onze potentiële toekomst.

"We hebben dit echt zeldzame beeld van een bepaalde warme periode in het verleden, dat was misschien wel de meest recente keer dat het warmer was dan nu in het noordpoolgebied. Dat maakt het een echt bruikbare analoog voor wat we in de toekomst zouden kunnen verwachten, " zei Sarah Crump, die het werk uitvoerde als een Ph.D. student geologische wetenschappen en daarna postdoctoraal onderzoeker bij het Institute of Arctic and Alpine Research (INSTAAR).

Om deze glimp terug in de tijd op te vangen, analyseerden de onderzoekers niet alleen DNA-monsters, ze moesten eerst per ATV en sneeuwscooter naar een afgelegen gebied van het noordpoolgebied reizen om ze te verzamelen en terug te brengen.

Dwergberk is een belangrijke soort van de lage Arctische toendra, waar iets hogere struiken (tot op de knieën) kunnen groeien in een verder koude en onherbergzame omgeving. Maar de dwergberk overleeft momenteel niet voorbij het zuidelijke deel van Baffin Island in het Canadese Noordpoolgebied. Toch vonden onderzoekers DNA van deze plant in het oude meersediment waaruit blijkt dat het vroeger veel verder naar het noorden groeide.

"Het is een behoorlijk significant verschil met de verspreiding van toendraplanten vandaag, "zei Kruimel, momenteel een postdoctoraal onderzoeker in het Palegenomics Lab aan de University of California Santa Cruz.

Hoewel er veel potentiële ecologische effecten zijn van de dwergberk die verder naar het noorden kruipt, Crump en haar collega's onderzochten de klimaatfeedback met betrekking tot deze struiken die een groter deel van het noordpoolgebied bedekken. Veel klimaatmodellen houden geen rekening met dit soort veranderingen in vegetatie, toch kunnen deze hogere struiken in de lente en herfst boven de sneeuw uitsteken, waardoor het aardoppervlak donkergroen wordt in plaats van wit, waardoor het meer warmte van de zon absorbeert.

"Het is een temperatuurfeedback vergelijkbaar met verlies van zee-ijs, ’ zei Krump.

Tijdens de laatste interglaciale periode, tussen 116, 000 en 125, 000 jaar geleden, deze planten hadden duizenden jaren de tijd om zich aan te passen en te bewegen als reactie op warmere temperaturen. Met de snelle opwarming van vandaag, de vegetatie houdt waarschijnlijk geen gelijke tred, maar dat betekent niet dat het geen belangrijke rol zal spelen bij het beïnvloeden van alles, van ontdooiende permafrost tot smeltende gletsjers en zeespiegelstijging.

"Als we nadenken over hoe landschappen in evenwicht zullen zijn met de huidige opwarming, het is echt belangrijk dat we rekening houden met hoe deze plantenreeksen gaan veranderen, ’ zei Krump.

Aangezien het noordpoolgebied tegen 2100 gemakkelijk een stijging van 9 graden Fahrenheit (5 graden Celsius) boven het pre-industriële niveau zou kunnen zien, dezelfde temperatuur als in de laatste interglaciale periode, deze bevindingen kunnen ons helpen beter te begrijpen hoe onze landschappen kunnen veranderen als het noordpoolgebied op schema ligt om deze oude temperaturen tegen het einde van de eeuw weer te bereiken.

Modder als een microscoop

Om het oude DNA te krijgen dat ze wilden, de onderzoekers konden niet naar de oceaan of naar het land kijken - ze moesten in een meer kijken.

Baffin Island ligt aan de noordoostelijke kant van Arctic Canada, kattenhoek naar Groenland, op het grondgebied van Nunavut en de landen van de Qikiqtaani Inuit. Het is het grootste eiland van Canada en het op vier na grootste eiland ter wereld, met een bergketen die langs de noordoostelijke rand loopt. Maar deze wetenschappers waren geïnteresseerd in een klein meer, langs de bergen en vlakbij de kust.

Boven de poolcirkel, het gebied rond dit meer is typerend voor een hoge Arctische toendra, met gemiddelde jaarlijkse temperaturen onder 15 ° F (-9,5 ° C). In dit onherbergzame klimaat, de grond is dun en er groeit niet veel.

Maar DNA dat in de bodem van het meer is opgeslagen, vertelt een heel ander verhaal.

Om deze waardevolle hulpbron te bereiken, Crump en haar collega-onderzoekers balanceerden in de zomer zorgvuldig op goedkope opblaasbare boten - de enige schepen die licht genoeg waren om mee te nemen - en keken in de winter uit voor ijsberen vanaf het ijs van het meer. Ze doorboorden de dikke modder tot 10 meter onder het oppervlak met lange, cilindrische pijpen, door ze diep in het sediment te hameren.

Het doel van deze precaire prestatie? Om zorgvuldig een verticale geschiedenis van oud plantaardig materiaal terug te trekken om er vervolgens mee terug te reizen en mee terug te nemen naar het laboratorium.

Terwijl een deel van de modder werd geanalyseerd in een ultramodern laboratorium voor organische geochemie in de Sustainability, Energy and Environment Community (SEEC) bij CU Boulder, het moest ook een speciaal laboratorium bereiken dat zich toelegt op het decoderen van oud DNA, aan de Curtin-universiteit in Perth.

Om hun geheimen te delen, deze modderkernen moesten de halve wereld over, van het noordpoolgebied naar Australië.

Een lokale momentopname

Eenmaal in het laboratorium, de wetenschappers moesten zich als astronauten kleden en de modder in een ultraschone ruimte onderzoeken om er zeker van te zijn dat hun eigen DNA dat van hun zuurverdiende monsters niet besmette.

Het was een race tegen de klok.

"Je beste kans is om verse modder te krijgen, "zei Crump. "Als het eenmaal uit het meer is, het DNA begint af te breken."

Dit is de reden waarom oudere monsters van een meerbed in koude opslag niet echt werken.

Terwijl andere onderzoekers ook veel oudere DNA-monsters hebben verzameld en geanalyseerd van permafrost in het noordpoolgebied (dat werkt als een natuurlijke diepvriezer onder de grond), meersedimenten worden koel gehouden, maar niet bevroren. Met frissere modder en meer intact DNA, wetenschappers kunnen een duidelijker en gedetailleerder beeld krijgen van de vegetatie die ooit in die directe omgeving groeide.

Het reconstrueren van historische vegetatie is meestal gedaan met behulp van fossiele pollenrecords, die goed bewaren in sediment. Maar stuifmeel is geneigd om alleen het grote geheel te laten zien, omdat het gemakkelijk door de wind wordt geblazen en niet op één plaats blijft.

Met de nieuwe techniek die Crump en haar collega's gebruikten, konden ze planten-DNA rechtstreeks uit het sediment extraheren. sequentie van het DNA en afleiden welke plantensoorten daar op dat moment leefden. In plaats van een regionaal plaatje, sedimentaire DNA-analyse geeft onderzoekers een lokale momentopname van de plantensoorten die er op dat moment leefden.

Nu ze hebben aangetoond dat het mogelijk is om meer dan 100 DNA te extraheren, 000 jaar oud, toekomstige mogelijkheden zijn er genoeg.

"Deze tool zal echt nuttig zijn op deze langere tijdschalen, ’ zei Krump.

Dit onderzoek heeft ook het zaad geplant om meer te bestuderen dan alleen planten. In de DNA-monsters van hun meersediment, er zijn signalen van een hele reeks organismen die in en rond het meer leefden.

"We beginnen net aan de oppervlakte te komen van wat we kunnen zien in deze ecosystemen uit het verleden, " zei Crump. "We kunnen de vroegere aanwezigheid van alles zien, van microben tot zoogdieren, en we kunnen een veel breder beeld krijgen van hoe ecosystemen in het verleden eruit zagen en hoe ze functioneerden."