Sugar molecule contributes to reconstruction of prehistoric fire

~~~for dutch scroll down~~~

With the help of this new proxy, Schreuder developed a complete time series, which goes back almost 200,000 years and concurs exactly with an important period in the northward migration of Homo sapiens on the African continent. Within this period, clear peaks could be shown in the quantity of levoglucosan, and therefore the intensity of forest fires in West Africa to the south of the Sahara.

Schreuder: ‘Two peaks in the period between 60,000 and 50,000 years ago are striking: they concur with the inhabitation of West Africa by Homo sapiens and with a denser growth of trees and bushes (vascular plants). This luscious growth meant more favourable living conditions for humans and a greater availability of fuel. A peak in levoglucosan reveals that humans possibly used fire.’

‘For example, we observe no peak in levoglucosan in the period between 130,000 and 100,000 years ago, whereas during that period, humans probably lived here too. From this, we conclude that fire was probably not yet important for humans in that period.’

Forest fires in the distant past

Much is already known about the intensity of forest fires in prehistory. However, the knowledge collected by archaeologists does not usually cover a period of more than a few thousand years for West Africa (more is known about East Africa). Suitable geochemical biomarkers were still missing for the long term. Levoglucosan has now given scientists a better tool to map prehistoric forest fires.

The time series of 192,000 years presented by Schreuder is based on an accurate analysis of a drill core from the coast of Guinea. Besides the stated peaks between 60,000 and 50,000 years ago, there was a peak in the deposition of levoglucosan 80,000 years ago. However, according to Schreuder, this is not relevant because there was a general increase in sedimentation rate at that time: in that period, a lot of material was deposited on the seafloor in a relatively short time, which means lots of levoglucosan too.

Degradation on the seafloor

Schreuder discovered that hardly any degradation occurs during the long-distance transport of levoglucosan through the atmosphere and via the water column. However, on the seafloor at the sediment-water boundary, the substance does break down, and that disrupts the signal. ‘We established that the rate at which the sugar molecules are deposited on the seafloor (accumulation rate) is a particularly accurate measure of the deposition of levoglucosan, and with that, of forest fires’, Schreuder explains.

Measurement method improved

Schreuder also compared vegetation changes with changes in vegetation fires. She used information that originated from long-chain n-alkanes to find out more about vegetation changes on the African continent. These molecules, which just like levoglucosan are transported over large distances, are important “vegetation proxies”: biomarkers of the vegetation type on the continent that reveal whether the growth was mainly in the form of forests and bushes (vascular plants) or savannas with grasses. The analysis of other drill cores taken in Poland and Australia made it possible to compare several proxies: besides levoglucosan and the previously mentioned alkanes, charcoal and pollen were added to the comparison. Furthermore, the measurement methods were improved so that small quantities of levoglucosan present in sediment samples can now be measured.

Suikermolecuul helpt bij reconstructie van prehistorisch vuur

Over het allereerste gebruik van vuur door de vroege mens is nog veel onbekend.  Hierin komt nu verandering door een nieuwe proxy, een meetbare stof waarmee bosbranden uit een ver verleden kunnen worden aangetoond. Het gaat om de organische stof levoglucosaan, een suikermolecuul dat bij verbranding van vegetatie ontstaat en aanwezig is in oceaan- en meersedimenten. Promovenda Laura Schreuder voerde haar onderzoek uit bij het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ). Op 27 mei promoveert zij op dit onderwerp aan de Universiteit van Utrecht.

Met behulp van deze nieuwe proxy heeft Schreuder een complete tijdreeks kunnen ontwikkelen, die bijna 200.000 jaar teruggaat en precies samenvalt met een belangrijke periode in de noordwaartse migratie van Homo sapiens op het Afrikaanse continent. Binnen deze periode waren er duidelijk pieken aan te wijzen in de hoeveelheid levoglucosaan, en daarmee in de intensiteit van bos-branden in West-Afrika bezuiden de Sahara.

Schreuder: “Twee pieken in de periode tussen 60.000 en 50.000 jaar geleden vallen op: ze komen overeen met bewoning van West-Afrika door Homo sapiens en met een dichtere begroeiing door bomen en struiken (vaatplanten).   Door de weelderige begroeiing waren de leefcondities voor de mens gunstiger en er was meer brandstof aanwezig. Een piek in levoglucosaan laat zien dat de mens hier mogelijk vuur heeft gebruikt.”

We zien bijvoorbeeld geen piek in levoglucosaan in de periode tussen 130.000 en 100.000 jaar geleden, terwijl tijdens die periode de mens hier waarschijnlijk ook leefde. Daaruit leiden we af dat vuur voor de mens in die tijd wellicht nog niet zo belangrijk was.”

Bosbranden in een ver verleden

Over de intensiteit van bosbranden in de prehistorie is wel al veel bekend. Maar de door archeologen verzamelde kennis bestrijkt voor het westen van Afrika meestal niet meer dan enkele duizenden jaren (over Oost-Afrika is meer bekend). Voor de lange termijn ontbraken vooralsnog goede geochemische biomarkers. Met levoglucosaan hebben wetenschappers nu een betere tool in handen om prehistorische bosbranden in kaart te brengen.

De tijdreeks van 192.000 jaar die Schreuder presenteert is gebaseerd op een nauwkeurige analyse van een boorkern afkomstig van de kust van Guinea. Behalve de genoemde pieken  tussen 60.000 en 50.000 jaar geleden, was er 80.000 jaar een piek in de afzetting van levoglucosaan. Deze is echter volgens Schreuder niet relevant, omdat er dan een algehele toename is van de sedimentatiesnelheid: in die periode slaat er in relatief korte tijd veel materiaal neer op de zeebodem, en dus ook veel levoglucosaan.

Inspiratie uit fijnstofmetingen

Levoglucosaan (1,6-anhydro-D-glucose) is een suikermolecuul dat ontstaat bij onvolledige verbranding van bomen en planten. Het wordt gebruikt in metingen van fijnstof in de atmosfeer, bijv. om de invloed van houtkachels op de luchtkwaliteit vast te stellen. Als bestanddeel van fijnstof kan het over honderden tot duizenden kilometers worden getransporteerd, en zo komt het ook terecht in de oceanen en meren, waar het bezinkt. Het oceaan- en meersediment versteent in de loop van miljoenen jaren; voor geologen zijn de boorkernen een rijk archief, nu dus ook voor prehistorische bosbranden.

Degradatie op de zeebodem

Schreuder ontdekte dat er tijdens het transport op grote afstanden van levoglucosaan door de atmosfeer en via de waterkolom nauwelijks sprake is van degradatie. Van afbraak en dus van verstoring van het signaal  is echter wél sprake op de zeebodem, aan het sediment-water-grensvlak. “We stelden vast dat vooral de snelheid waarmee de suikermoleculen zijn afgezet op de zeebodem (accumulatiesnelheid)  een nauwkeurige graadmeter is van de afzetting  van levoglucosaan, en daarmee van bosbranden”, licht Schreuder toe.

Verbetering meetmethode

Schreuder vergeleek ook vegetatieveranderingen met veranderingen in vegetatiebranden. Om meer te weten te komen over vegetatieverandering op het Afrikaanse continent, gebruikte ze informatie afkomstig van de langeketen-n-alkanen.  Dit molecuul, dat net als levoglucosaan over grote afstanden wordt getransporteerd, is een belangrijke ‘vegetatieproxy’: een biomarker van het vegetatietype op het continent dat laat zien of er vooral bossen en struiken groeiden (vaatplanten) of juist een savanne met grassen. Analyse van andere boorkernen uit Polen en Australië maakte het mogelijk meerdere proxies met elkaar te vergelijken: behalve levoglucosaan en de eerdergenoemde alkanen ook houtskool en pollen. Bovendien werden de meetmethoden verbeterd, zodat de kleine hoeveelheden levoglucosaan aanwezig in sedimentmonsters gemeten kunnen worden.