Wetenschap
Hoe de plantenwereld de klimaatcyclus vormgeeft
Om de veerkracht van de aarde te begrijpen, modelleren onderzoekers van ETH Zürich klimaatveranderingen uit lang vervlogen tijden. En ze laten zien dat planten niet simpelweg het slachtoffer zijn van de omstandigheden, maar hebben bijgedragen aan het vormgeven van de klimaatomstandigheden op aarde.
In de loop van honderden miljoenen jaren heeft de aarde een reeks klimaatveranderingen doorgemaakt, waardoor de planeet is gevormd zoals we die nu kennen. Wijzigingen uit het verleden in CO2 niveaus en temperatuur kunnen ons helpen de reactie van de planeet op de opwarming van de aarde vandaag de dag te begrijpen.
Als onderdeel van een groeiend veld dat biogeodynamica wordt genoemd, haasten onderzoekers zich om te begrijpen hoe dergelijke veranderingen het leven op de planeet in het verleden hebben beïnvloed. "We proberen processen die relevant zijn voor het heden te begrijpen met behulp van het geologische verleden", zegt Julian Rogger, die zich richt op biogeodynamica aan het Instituut voor Geofysica van de ETH Zürich.
Rogger is gefascineerd door het samenspel van plantenleven en klimaat. Tot nu toe is onze planeet de enige planeet in het universum die we kennen die geschikt is om levende organismen te ondersteunen. De klimatologische omstandigheden zorgen voor de aanwezigheid van voldoende vloeibaar water om planten en andere complexe organismen te laten gedijen, of op zijn minst te overleven.
Wanneer het klimaat op de planeet verandert, heeft dit gevolgen voor het plantenleven, waardoor ecosystemen gedwongen worden te evolueren en zich aan te passen aan veranderende omstandigheden. "Ik ben geïnteresseerd in de rol van het leven zelf in het hele systeem", zegt Rogger. "Ik vind het heel fascinerend om de wereld te reconstrueren zoals die miljoenen jaren geleden was."
Planten geven actief vorm aan de klimaatcyclus
In een artikel dat onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances Rogger en collega's van ETH en de Universiteit van Leeds beweren dat deze planten niet alleen passieve deelnemers zijn aan de klimaatcyclus van de aarde, maar dat ze een belangrijke rol kunnen spelen bij het vormgeven ervan. "We zouden kunnen aannemen dat het leven alleen maar reageert op veranderingen, maar het is ook mogelijk dat het interageert met het systeem en het reguleert", zegt Rogger.
Om te laten zien hoe, gebruikte Rogger computermodellen die de wisselwerking tussen klimaatverandering, beweging van de continenten en het plantenleven in het diepe verleden simuleren. De modellen geven aan dat planten waarschijnlijk de samenstelling van de atmosfeer van de planeet helpen reguleren door koolstof vast te houden en zuurstof uit te stoten, waardoor CO2 onder controle blijft niveaus.
Ze versnellen ook het proces van minerale verwering in de bodem, een proces waarbij CO2 wordt verbruikt . Roggers modellen suggereren dat het klimaat en de atmosfeer van de planeet deel uitmaken van een feedbackloop:het leven zelf speelt een rol bij het reguleren of versnellen van klimaatveranderingen.
390 miljoen jaar geschiedenis van de aarde reconstrueren
Wanneer de verandering langzaam gaat – langzaam genoeg om planten in de loop van miljoenen jaren te laten evolueren of zich naar nieuwe niches te verspreiden – kan de activiteit van planten als buffer fungeren en voorkomen dat de temperatuur te snel verandert. Maar de geologie en het fossielenbestand laten zien dat er ook veranderingen waren die te snel plaatsvonden en resulteerden in grote verstoringen van de vegetatie en zelfs massale uitstervingen.
"Wat we willen weten is hoe snel de vegetatie zijn eigenschappen kan veranderen als de wereld plotseling 5 of 6 graden warmer wordt", zegt Rogger. "Het algemene doel is om de co-evolutie van klimaat, vegetatie en tektoniek te begrijpen."
Rogger en zijn co-auteurs – een interdisciplinair team van geologen, computerwetenschappers en aardwetenschappers – creëerden een computermodel van de afgelopen 390 miljoen jaar dat rekening hield met de verschuiving van de continenten en het klimaat en de reactie van de vegetatie op deze veranderingen. Het uitvoeren van simulaties op krachtige supercomputers kan nog steeds een maand duren, gezien de complexiteit van het probleem en de tijdsduur die ze zouden moeten vertegenwoordigen.
Waar mogelijk gebruikt het team geologische gegevens om de modellen zo realistisch mogelijk te maken:chemische analyse van sedimenten kan bijvoorbeeld een indicator zijn voor het kooldioxidegehalte in het verleden. Fossielen kunnen aantonen wanneer dramatische klimaatveranderingen hebben geleid tot massale uitstervingen, of tot de evolutie van nieuwe ecosystemen als reactie op veranderende omstandigheden.
De modellen laten zien dat lange perioden van stabiliteit het mogelijk maken dat de vegetatie floreert en CO2 absorbeert en het stabiliseren van het klimaat op aarde in de loop van de tijd. In hun modellen zag het team dat planten snel genoeg konden evolueren om zich aan te passen aan geleidelijke veranderingen in klimaat en landschap als gevolg van bijvoorbeeld continentale drift.
Maar wanneer het klimaatsysteem wordt ontwricht en te snel verandert zodat de vegetatie zich niet kan aanpassen, gebeurt het tegenovergestelde:planten worden weggevaagd en kunnen niet meer als buffer fungeren om de teruggang in het klimaat te vertragen. Zonder planten die als rem fungeren, vinden veranderingen in het milieu nog sneller plaats en gaan ze verder in de richting van het extreme.
"Het is als een feedbackeffect", legt Rogger uit. "Omdat de regelgeving wegvalt, zou je een sterkere toename van CO2 kunnen hebben en meer klimaatverandering dan eerder werd verwacht."
Veerkracht op de proef gesteld
In de geologische gegevens gaan abrupte klimaatveranderingen vaak gepaard met massale uitstervingsgebeurtenissen. "Er zijn sterke vegetatieveranderingen waarbij het duizenden tot miljoenen jaren duurde voordat de vegetatie zich aanpaste en herstelde", zegt Rogger, "en wat zich herstelt kan heel anders zijn dan wat er voorheen was."
Dat is geen goed nieuws. ‘Er wordt aangenomen dat de snelheid van de veranderingen die we momenteel kennen ongekend is in de afgelopen 400 miljoen jaar’, zegt Rogger. "Er zou een vermindering kunnen optreden in het vermogen van de vegetatie om het klimaat te reguleren als er een sterke verandering plaatsvindt, zoals we nu ervaren."
In een tijd waarin het klimaat op aarde sneller verandert dan ooit tevoren, heeft Roggers onderzoek praktische implicaties:informatie uit het verleden kan mensen vandaag de dag helpen begrijpen hoe veerkrachtig de in elkaar grijpende systemen van de aarde zijn.
"Hoe snel kunnen ecosystemen reageren op veranderingen in het klimaat en het landschap? Dat is een van de grootste onbekenden", zegt hij. "Het is een acute vraag:hoe veerkrachtig is de aarde?"