Nu de CO2-concentratie in de atmosfeer snel toeneemt, is het van groot belang om te begrijpen welke impact dit heeft op klimaatverandering. Om betere klimaatvoorspellingen te doen, moeten we de lange-termijnveranderingen in het geologische verleden beter leren begrijpen. Wetenschappers konden al met directe metingen aan oude gassen die opgesloten zitten in de luchtbellen van ijskernen een miljoen jaar CO2-geschiedenis reconstrueren. Voor klimaatreconstructies die verder terug gaan in de tijd, ontwikkelden geologen verschillende indirecte indicatoren (proxies) van CO2-concentraties, op basis van planten en chemicaliën die bewaard zijn in sedimentlagen in de oceaan. Nu hebben de NIOZ-onderzoekers daaraan een nieuwe, veelbelovende CO2-proxy toegevoegd - fossiel fytaan - waarmee ze dieper dan ooit in het verleden kunnen terugkijken: 500 miljoen jaar, tot in het Cambrium, het tijdperk waarin de basis werd gelegd van de huidige diersoorten op aarde.  

Fytaan, een nieuwe manier van tijdreizen
"We hebben een nieuwe manier van tijdreizen ontwikkeld en gevalideerd. Daarmee gaan we verder terug in de tijd en bezoeken we zelfs meer plekken", vertelt NIOZ-onderzoeker Caitlyn Witkowski. "Met slechts één mariene proxy, fytaan, een afbraakproduct van chlorofyl, kunnen we de langste CO2-concentratiereeks reconstrueren. Deze informatie is van onschatbare waarde voor wetenschappers die via modellen het klimaat van de toekomst zo nauwkeurig mogelijk proberen te voorspellen." Witkowski en collega’s selecteerden meer dan 300 monsters van mariene sedimenten en oliën van over de hele wereld die samen de geologische tijdperken van de afgelopen 500 miljoen jaar omvatten.

Kleine groene archieven
Chemische reacties die plaatsvonden in het verleden kunnen zijn opgeslagen in fossiele moleculen, waarmee ze een archief vormen van vroegere omgevingsomstandigheden. Geochemici kunnen daaruit informatie 'aflezen' zoals de zeewatertemperatuur, pH, zoutgehalte en ook de CO2-concentratie. Moleculen zoals fytaan geeft aan hoe groot de CO2-druk was in het oceaanwater en in de atmosfeer. Hoewel veel fytaan moleculen de potentie hebben om CO2-concentraties uit het verleden te achterhalen, is fytaan speciaal. Fytaan is de groene kleurstof die verantwoordelijk is voor onze groene wereld. Alles wat fotosynthese gebruikt om zonlicht te absorberen, inclusief planten, algen en sommige bacteriën, heeft chlorofyl waaruit fytaan komt. Planten en algen nemen CO2 op en produceren zuurstof. Omdat chlorofyl overal ter wereld voorkomt, is ook fytaan overal te vinden en is het een belangrijk bestandsdeel van vergane en versteende biomassa. "De chemische samenstelling van fytaan verandert niet in de loop van de tijd, zelfs niet als het miljoenen jaren oud is", zegt Witkowski.

Voor haar onderzoek verzamelde Witkowski verschillende monsters met daarin zeewater en algen om potentiële indicatoren uit het verleden te testen.

Opdelen in koolstofisotopen
CO2-concentraties uit het verleden worden geschat op basis van organisch materiaal, zoals fytaan, door het fenomeen 'koolstof isotopenfractionering', een chemisch proces dat plaatsvindt tijdens de fotosynthese. Bij hun opname van CO2 verkiezen planten en algen lichte koolstofisotopen (12C) boven zware koolstofisotopen (13C). Ze gebruiken alleen de zware koolstofisotopen wanneer de CO2-concentratie in het water of de atmosfeer laag is. De verhouding tussen deze twee isotopen weerspiegelt daarom de koolstofdioxideconcentratie in de omgeving waar de planten en algen groeiden. Dit verklaart waarom Witkowski geen fossiele landplanten, maar alleen fytaan van fossiele zeealgen kon gebruiken voor haar onderzoek. De plantenwereld is opgedeeld in de zogenoemde C3- en C4-planten, ieder met hun eigen unieke verhouding van lichte tot zware koolstof. De onderlinge verschillen zijn het grootst tussen planten die op land groeien. Maar alle mariene algen – fytoplankton - hebben onderling zeer vergelijkbare verhoudingen. Witkowski: "Door alleen mariene bronnen te kiezen, konden we de onzekerheid van de fytaanbron in de dataset beperken."

"In onze gegevens zien we hele hoge niveaus van koolstofdioxide, van 1000 ppm  in tegenstelling tot de huidige 410 ppm. Bezien vanuit dit perspectief, zijn de huidige concentraties niet uniek, maar de snelheid waarmee die veranderingen nu plaatsvinden, is wel uniek. Veranderingen die meestal miljoenen jaren duren, vinden nu in een eeuw plaats. Onze extra CO2-gegevens kunnen helpen de toekomst van onze planeet te begrijpen. In toekomstig onderzoek kan de fytaanproxy worden gebruikt om nog verder terug in de tijd te gaan, verder dan het geologisch tijdperk Phanerozoicum; de alleroudste fytaan moleculen die zijn gevonden, zijn twee miljard jaar oud."

Artikel:
Caitlyn R. Witkowski, Johan W.H. Weijers, Brian Blais, Stefan Schouten, Jaap S. Sinninghe Damsté.
Molecular fossils from phytoplankton reveal secular pCO2 trend over the Phanerozoic
DOI: 10.1126/sciadv.aat4556

Fossil algae reveal 500 million years of climate change

Earth scientists are able to travel far back in time to reconstruct the geological past and paleoclimate to make better predictions about future climate conditions. Scientists at the Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ) and Utrecht University succeeded in developing a new indicator (proxy) of ancient CO2-levels, using the organic molecule phytane, a debris product of chlorophyll. This new organic proxy not only provides the most continuous record of CO2-concentrations ever, it also breaks a record in its time span, covering half a billion years. The data show the present idea that rises in CO2-levels that used to take millions of years, are now happening in a century. These findings are published in Science Advances on November 28th.

As CO2 increases today, it’s vital to understand what impact these changes will have. To better predict the future, we must understand long-term changes in CO2 over geologic history. Direct measurements of past CO2 are available, e.g. bubbles in ice cores containing ancient gases. However, ice cores have a limited time span of one million years. To go farther back in time, earth scientists have developed various indirect measurements of CO2 from proxies e.g. from algae, leaves, ancient soils and chemicals stored in ancient sediments to reconstruct past environmental conditions.

Phytane, a new way to travel in time
A new proxy, using a degradation product of chlorophyll, allows geochemists to infer a continuous record of historic CO2-levels in deep time. Scientists at NIOZ have recently developed phytane as a promising new organic proxy that uncovers half a billion years of CO2-levels in the oceans, from the Cambrian until recent times.

Using the new proxy, they were able to make the most continuous record of ancient carbon dioxide levels ever. "We developed and validated a new way to time travel – going farther back in time and to more places", says NIOZ-scientist Caitlyn Witkowski. "With phytane, we now have the longest CO2-record with one single marine proxy. This new data is invaluable to modelers who can now more accurately make predictions of the future."

Witkowski and colleagues selected more than 300 samples of marine sediments from deep sea cores and oils from all over the globe, reflecting the majority of geological periods in the last 500 million years.

Fossil molecules
Past chemical reactions can be 'stored' in fossil molecules, and so they may reflect various ancient environmental conditions. Geochemists are able to 'read' these conditions, such as seawater temperature, pH, salinity and CO2-levels. Organic matter, such as phytane, reflects the pressure of CO2 in ocean water or the atmosphere (pCO2).

Little green miracles
Although all organic matter has the potential to reflect CO2, phytane is special. Phytane is the pigment responsible for our green world. Anything that uses photosynthesis to absorb sunlight, including plants, algae, and some species of bacteria, has chlorophyll from which phytane comes. Plants and algae take in CO2 and produce oxygen. Without these little green miracles, our world just wouldn't be the same.

Because chlorophyll is found all around the world, phytane is also everywhere and is a major constituent of decayed and fossilized biomass. "Phytane doesn’t chemically change over the course of time, even if it is millions of years old," Witkowski says.

For her research Witkowski collected seawater with fresh, modern algae to test potential indicators of the past.

Carbon isotope fractionation
CO2 of the past is estimated from organic matter, such as phytane, through the phenomenon of carbon isotope fractionation during photosynthesis. When taking up CO2, plants and algae prefer the light carbon isotope (12C) over the heavy carbon isotope (13C). They only use the heavy carbon isotope when CO2-levels in the surrounding water or atmosphere are low. The proportion between these two isotopes therefore reflects the level of carbon dioxide in the environment at the moment of growth.
This also explains why Witkowski didn't use terrestrial plants as a source for her research, exclusively using phytane from (fossilized) marine sources. The plant world is divided into so-called C3- and C4-plants, each with their own unique ratio of light-to-heavy carbon. Phytoplankton all have very similar ratios compared to their plant counterparts. Witkowski: "By choosing only marine sources, we could limit uncertainty of the phytane source in the dataset."

"In our data, we see high levels of carbon dioxide, reaching 1000 ppm as opposed to today's 410 ppm. In this respect, present day levels are not unique, but the speed of these changes have never been seen before. Changes that typically take millions of years are now happening in a century. This additional CO2-data may help us understand the future of our planet." In future research, phytane can be used to go even further back in time than the Phanerozoic, the earliest found in two billion-year-old samples.

Article
Caitlyn R. Witkowski, Johan W.H. Weijers, Brian Blais, Stefan Schouten, Jaap S. Sinninghe Damsté.
Molecular fossils from phytoplankton reveal secular pCO2 trend over the Phanerozoic
DOI: 10.1126/sciadv.aat4556