Je leest:

Chemische fossielen als klimaatverklikkers

Chemische fossielen als klimaatverklikkers

Gefossiliseerde planten en dieren laten zien hoe onze planeet er vroeger uitzag. Deze met het oog waarneembare fossielen zijn echter niet de enige resten van leven. Chemische fossielen – moleculaire sporen van vroeger leven– helpen mee in de zoektocht naar de evolutie van het bestaan, en vertellen veel over de invloed van klimaatveranderingen op het leven op aarde.

In natuurhistorische musea is niets zo indrukwekkend als de skeletten van dinosaurussen. Dankzij deze oude restanten zijn paleontologen veel te weten gekomen over hoe het leven er op aarde vroeger uitzag, welke wezens er in welk tijdperk ronddoolden en wanneer sommige soorten zijn uitgestorven.

Sinds dertig jaar hebben de onderzoekers nog een andere weg waarlangs ze de geheimen van de geschiedenis kunnen ontrafelen: de moleculaire paleontologie. Deze tak van wetenschap gebruikt chemische overblijfselen van organismen in de aardkorst, ook wel chemische fossielen genoemd. Met moderne technieken kunnen paleontologen deze fossielen analyseren en zo stukje bij beetje achterhalen wat er miljoenen jaren geleden allemaal gebeurd is. Zo kunnen ze temperatuurschommelingen in het klimaat bepalen, zien wanneer water veel of juist weinig zuurstof bevatten en achterhalen wanneer welke planten de aarde bewoonden. Bij het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) gebruiken wij de moleculaire paleontologie om meer over de aardse geschiedenis te weten te komen.

De traditionele fossielen zijn afdrukken of zichtbare restanten van planten en dieren die een skelet of hard omhulsel hebben. Chemische fossielen zijn niet met het blote oog of zelfs met een microscoop zichtbaar. Ze stellen moleculair paleontologen desondanks in staat onderzoek te verrichten naar restanten van planten en dieren, én van algen en bacteriën. Deze kleine organismen spelen in de biogeochemische kringlopen in de oceaan veruit de belangrijkste rol. Er zijn dan ook veel meer resten van te vinden dan van hogere organismen.

Chemische fossielen vormen organisch archief

Onder invloed van zonlicht produceren planten dagelijks grote hoeveelheden organisch materiaal in oceanen en kustzeeën. Bacteriën breken veruit het grootste deel weer af, maar een klein gedeelte ontsnapt aan deze afbraak en eindigt in de zeebodem. Afhankelijk van de omstandigheden varieert dit deel van minder dan één tiende tot tien procent. Dit restmateriaal vormt desondanks de kurk waar onze economie op drijft, omdat hieruit uiteindelijk aardolie kan ontstaan.

Karakteristieke kenmerken van een organisme (bijvoorbeeld of het in een warm of een koud milieu leeft) zijn soms uit zijn moleculen af te lezen. Het organisch materiaal dat de meeste informatie herbergt, is uiteraard DNA. Helaas is dit erg instabiel, waardoor het slechts onder uitzonderlijke condities bewaard blijft in sedimenten. Lipiden (vetachtige stoffen) kunnen de tand des tijds beter doorstaan en leveren ons dan ook een schat aan informatie op.

In de aarde begraven karakteristieke moleculen vormen als het ware één groot organisch archief over klimaat en milieu. Sommige moleculen blijven miljoenen jaren bewaard in de afgezette sedimenten. Een moleculair paleontoloog kan met analytische technieken dit geschiedenisregister lezen en zo een goede reconstructie maken van klimaat- en milieuveranderingen in het aardse verleden.

Moleculen kunnen in de loop der tijd wel enigszins van structuur veranderen. Als je niet weet welke veranderingen dat zijn, loop je de kans informatie uit het archief te missen. Daarom is het belangrijk de mogelijke chemische veranderingen die de verbindingen diep in de grond kunnen ondergaan goed in kaart te brengen. Organisch chemici kunnen deze reacties helaas niet nabootsen in hun laboratoria. Daarvoor zijn de reactietijden, die wel tienduizenden jaren kunnen beslaan, veel te lang.

Fossiele thermometer

Kalkalg Emiliania huxleyi, uit de zuidelijke Atlantische Oceaan, is één van de belangrijkste alkenonproducenten.

Tot de meest gebruikte chemische fossielen behoren de alkenonen. Een bepaald soort kalkalg is verantwoordelijk voor de productie. Het betreft vetachtige moleculen die twee respectievelijk drie dubbele bindingen bevatten (twee- of drievoudig onverzadigd). De verhouding tussen deze twee soorten alkenonen hangt samen met de zeewatertemperatuur. Onder koudere omstandigheden maken de kalkalgen meer alkenonen met drie dubbele bindingen. Wanneer het warmer wordt, krijgen de tweevoudig onverzadigde componenten de overhand. Het oorzakelijk verband tussen zeewatertemperatuur en de verhouding tussen twee- en driedubbel onverzadigde alkenonen blijft vooralsnog onbegrepen.

Dat alkenonen informatie geven over de zeewatertemperatuur is evenwel een feit. Dankzij deze organische thermometer kwam de oceanografische tak van de paleontologie veel te weten over onder andere de opeenvolging van ijstijden in de laatste miljoen jaar en de gevolgen daarvan voor het lokale klimaat.

Klimaatverklikkers

Weggewaaide wassen. Op deze satellietfoto van de Noord-Afrikaanse westkust is te zien dat de wind stofdeeltjes, en dus ook plantenwassen tot ver van de kust kan meevoeren. De wassen worden onder invloed van zonlicht en wind continu van het blad afgeslagen en met de wind over duizenden kilometers meegevoerd.

Ook plantenwassen spelen een belangrijke rol in de moleculaire paleontologie. Deze stoffen dienen ter bescherming van het blad en bestaan uit vetachtige verbindingen, waardoor ze de bladeren een mooi glimmend laagje geven (denk maar aan de ficus). Ze worden echter onder invloed van zonlicht en wind continu van het blad afgeslagen en met de wind over duizenden kilometers meegevoerd. Zo kunnen wassen van planten die op het droge leven ook in mariene sedimenten vóórkomen.

Allereerst is het mogelijk een reconstructie te maken van vroegere veranderingen in de aanvoer van landmateriaal. Ten tweede, en misschien nog wel belangrijker, kunnen we hiermee de soort vegetatie in het achterland vaststellen.

C3- en C4-planten

C3- en C4-planten verschillen in de manier waarop zij CO2 vastleggen. Dept. Tree Biol. , Univ. of Wisconsin

Ruwweg zijn de planten die op het land leven in te delen in twee typen die ieder op hun eigen manier koolstofdioxide vastleggen. De meest algemene groep is die van de C3-planten. Deze planten heten zo, omdat het eerste tussenproduct van de fotosynthese in hun bladeren drie koolstofatomen bevat. Ze hebben geen actieve vorm van CO2-transport. Via de huidmondjes komt koolstofdioxide het blad op een passieve manier binnen, alwaar enzymen het gas fixeren.

De andere groep planten, die vanwege een vier koolstofatomen bevattend tussenproduct van de fotosynthese C4-planten zijn genaamd, kan op een actieve manier de concentratie CO2 in hun bladeren verhogen. Dit is een handige eigenschap bij een lage luchtvochtigheid of lage CO2-concentratie. C4-planten vind je vooral onder de grassen die op savannen groeien.

Via de bepaling van het 13C-gehalte (koolstofisotoop met een atoommassa van 13 in plaats van 12) kunnen we achterhalen van welke plantengroep de plantenwassen afkomstig zijn. C4-plantenwassen zijn relatief rijk aan 13C; C3-plantenwassen juist arm. Analyse van boorkernen uit de Atlantische Oceaan ten westen van Afrika laat zien dat de verhouding tussen plantenwassen afkomstig van C3- en C4-planten varieert met de ijstijden. In glacialen, perioden gekenmerkt door droogte en relatief weinig CO2 in de lucht, breidt de C4-vegetatie haar gebied uit. Dit resulteert in een grotere hoeveelheid C4-plantenwassen in mariene sedimenten.

Abrupte afname broeikasgas

Tijdens het Cenomaan/Turoon, zo’n 93 miljoen jaar geleden, veranderde de Noord-Afrikaanse plantengemeenschap drastisch. Wij stuitten op de aanwijzingen in gesteenten die nu ongeveer zeshonderd meter diep in de bodem begraven liggen voor de kust van het Noord-Afrikaanse Senegal. Plantenwassen uit deze boormonsters bevatten indicaties voor de tot nu toe oudste sporen van ‘moderne’ C4-plantengroepen. In ongeveer dertigduizend jaar verdrongen deze planten de tot dan dominante, maar primitievere C3-planten. Zo’n verandering is opmerkelijk, omdat de lucht ten tijde van het Krijt vol zat met koolstofdioxide. Planten die CO2 op een actieve manier opnemen lijken niet in dit tijdperk thuis te horen.

De enige verklaring voor deze verandering in het Noord-Afrikaanse ecosysteem is een forse, geologisch gesproken abrupte afname van het broeikasgas CO2 (daling van veertig tot tachtig procent). De concentratie moest tot beneden de vijfhonderd deeltjes per miljoen (500 ppm) zakken om C4-planten een overheersende rol te kunnen laten spelen. Waarschijnlijk versnelde de forse daling de evolutie van planten, zodat er ruimte kwam voor planten die actief koolstofdioxide binden.

De CO2-afname is een direct gevolg van de onttrekking van grote hoeveelheden koolstof aan de atmosfeer en de oceanen. Grote massa’s organische koolstof sloegen tijdens het Cenomaan-Turoon neer in de oceanen. Waarom organisch koolstof massaal neersloeg, is nog onduidelijk; er zijn echter aanwijzingen dat veranderingen in oceaanstromingen leidden tot zuurstofloze omstandigheden in bepaalde zeegebieden. Afgestorven algen konden zo niet goed worden afgebroken en kwamen in de bodem terecht.

Zwavelbacteriën

Een andere groep chemische fossielen die ons veel inzicht geeft in het aardse verleden is afkomstig van een pigment van groene zwavelbacteriën. Deze kleurstof wordt isoreniërateen genoemd.

Groene zwavelbacteriën hebben om te leven zowel licht als zwavelwaterstof (‘rotte-eierengas’) nodig. Met licht bedrijven ze fotosynthese, waarbij ze zwavelwaterstof oxideren. De bacteriën leven dus onder speciale condities: alleen daar waar in de fotische zone (de waterlaag waar nog licht doordringt; maximaal zo’n honderd meter onder het oppervlak) vrij zwavelwaterstof voorkomt. Omdat zuurstof zwavelwaterstof gemakkelijk oxideert, vinden we zwavelwaterstof alleen onder zuurstofloze condities.

Wanneer we dus resten vinden van de groene zwavelbacterie, weten we dat er in die zee of oceaan destijds weinig tot geen zuurstof zat. Tegenwoordig bestaan deze condities bijna nergens meer. Ze komen alleen nog voor in gelaagde meren, sommige fjorden en de Zwarte Zee, die door de zeer ondiepe Bosporus bijna van de Middellandse Zee is afgesloten.

In het aardse verleden waren er echter perioden waarin deze zuurstofloze condities veel vaker voorkwamen. Fossiele resten van het karakteristieke pigment van groene zwavelbacteriën leveren het bewijs. Wanneer de groene zwavelbacteriën afsterven, wordt hun pigment isoreniërateen in het sediment opgenomen, waar het langzaam verandert in chemisch meer stabiele producten.

De tot nu toe oudste sedimenten die chemische fossielen van dit pigment bevatten, hebben een leeftijd van ongeveer 450 miljoen jaar. Zelfs wanneer het organisch materiaal bij diepe begraving in de aardkorst wordt afgebroken van complexe verbindingen tot kleine eenvoudige verbindingen en er olie ontstaat, laat dit fossiel zichtbaar zijn sporen achter.

Het belangrijkste dat we nu dankzij deze chemische fossielen weten, is dat die zuurstofloze condities vandaag de dag minder vaak voorkomen dan ten tijde van de afzetting van zogenaamde oliemoedergesteenten. Dit zijn de organisch-rijke sedimenten waaruit aardolie kan ontstaan. Dat is begrijpelijk, daar in een zuurstofloze omgeving de afbraak van organisch materiaal langzamer verloopt, waardoor er ook meer in sedimenten kan terecht komen.

Rottende modder

a) Groene zwavelbacteriën leven in zuurstofloos zeewater, in de waterlaag waar nog een klein beetje licht doordringt.b) Wanneer deze bacteriën doodgaan, zinken zij naar de zeebodem en komen in het sediment terecht.c) Bij voortdurende sedimentatie worden de fossiele resten van de bacteriën in de aardkorst begraven.

Periodiek worden in het Middellandse-Zeebekken zogenaamde sapropelen afgezet. Deze afzettingen (genoemd naar het Griekse woord voor rottende modder) kunnen belangrijke opslagplaatsen zijn voor resten van groene zwavelbacteriën, aangezien ze rijk zijn aan organische materie. Ze hebben een organisch koolstofgehalte van meer dan anderhalf procent.

Dergelijke afzettingen komen tot stand door veranderingen in het klimaat van de Middellandse Zee. Als er veel neerslag valt, is er een grotere aanvoer van voedingstoffen, en wordt de Middellandse Zee als het ware bemest. Meer zoet regenwater zorgt tevens voor een gelaagdheid in het water en een verandering van het stromingspatroon. Het zuurstofgehalte van het water kan hierdoor afnemen, waardoor meer organisch materiaal neerslaat en zo ontsnapt uit de biocyclus.

De laatste sapropeel ontstond circa zevenduizend jaar geleden, maar bevat geen isoreniërateen. In het Plioceen, zo’n drie miljoen jaar geleden, konden we dit chemische fossiel wel vinden, wat betekent dat er toen nog minder zuurstof in het water zat. Die afzettingen bevatten dan ook veel meer organisch materiaal: de sapropelen uit dat tijdperk hebben een organisch koolstofgehalte van wel dertig procent! Dit komt waarschijnlijk enerzijds door verhoogde productie van algenmateriaal en anderzijds doordat organisch materiaal minder snel wordt afgebroken onder zuurstofloze condities.

De grote hoeveelheden van de ijzerzwavelverbinding pyriet en sporenmetalen (van onder meer cadmium, nikkel en molybdeen) laten ook zien dat bijna al het water met zwavelwaterstof was vergiftigd. Deze stoffen slaan neer door een chemische reactie met het rotte-eierengas.

Zuurstofloze zee

Ondiepe kustzee. Tijdens het Toarcien (180 miljoen jaar geleden) bedekte een relatief ondiepe kustzee het westelijke Europese continent. N&T/MediagraphiX

Niet alleen door continenten omsloten zeeën zoals de Zwarte Zee en de Middellandse Zee kunnen vrijwel volledig zuurstofloos worden. Het zuidelijk deel van de Noord-Atlantische Oceaan was in de Cenomaan-Turoonperiode, ongeveer 93 miljoen jaar geleden, ook vergiftigd met zwavelwaterstof. Dit zuurstofloze gebied reikte van zo’n honderd meter onder het zeeoppervlak tot op de bodem (circa vier kilometer), met wederom de chemische fossielen van groene zwavelbacteriën als stille getuigen. Door een dergelijke waterconditie stierven mariene organismen zoals foraminiferen (eencellige planktonvreters) massaal uit tijdens dit Cenomaan-Turoon-tijdvak in het Krijt.

In dit tijdvak zijn wereldwijd sedimenten afgezet die rijk zijn aan organische koolstof, zogenaamde zwarte schalies. In het zuurstofloze gebied in de oceaan sloeg vijftien tot honderd maal zoveel organisch koolstof neer als in andere gebieden. Deze onttrekking van grote hoeveelheden koolstof aan de koolstofreservoirs in de oceanen en de atmosfeer leidde tot een ernstige verstoring van de koolstofcyclus. Nog steeds treffen onderzoekers over de hele wereld deze verstoring aan in de vorm van een plotselinge verandering in de verhouding van stabiele koolstof-isotopen.

Ook Nederland en een deel van België lagen ooit onder een zuurstofloze zee. Dit gebeurde tijdens het Toarcien, toen een relatief ondiepe kustzee het westelijke Europese continent bedekte.

Moleculair-paleontologisch detectivewerk toonde ook in de organisch-rijke afzettingen van die tijd overblijfselen van groenezwavelbacteriepigmenten aan. Door resten van een ander specifiek bacteriepigment op te sporen, konden de onderzoekers zelfs vaststellen dat de grenslaag tussen zuurstofrijk en zuurstofloos water op ongeveer 25 meter diepte moest liggen.

Onze huidige economie is gebouwd op deze zuurstofarme condities uit het verleden, want deze omstandigheden zijn essentieel geweest voor de vorming van grote hoeveelheden oliemoedergesteente en, indirect, de grote voorraden olie in de ondergrond.

Oerbacteriën onlangs in de koude betrapt

Tetraetherlipiden. Celmembranen van archaea bevatten bijzondere vetmoleculen. Hieronder de basisstructuur van een tetraether; X en Y zijn lipideketens.

Stabiliserende koolstofringen. In hyperthermofiele archaea hebben de tetraetherlipiden koolstof-vijfringen die waarschijnlijk bijdragen aan de stabiliteit van het membraan bij hoge temperaturen. Mariene koud-waterarchaea hebben dit geërfd, maar bouwen een extra zesring in.

Chemische fossielen zoals plantenwassen, isoreniërateen en alkenonen zijn een handig instrument om te ontdekken wat voor veranderingen de aarde in de loop der jaren heeft doorgemaakt. Met de moleculaire paleontologie kunnen we echter ook de evolutie van het leven zelf volgen.

Een mooi voorbeeld zijn de archaea. Ze representeren één van de drie domeinen van het leven, ingedeeld op basis van DNA-samenstelling. Dieren en planten vormen het tweede domein, bacteriën het derde. Qua uiterlijk lijken archaea zelfs zoveel op deze laatste groep, dat ze tijdenlang ook als bacteriën werden beschouwd. Doordat wetenschappers dachten dat deze archaea alleen voorkwamen onder extreme milieuomstandigheden zoals hoge temperaturen, hoge zuurgraad of sterke zoutconcentraties, moesten dit wel de eerste bacteriën op aarde zijn. Vandaar hun oorspronkelijke naam: archaebacteriën, naar het Latijnse woord ‘archae’ voor ‘oer’.

In de jaren tachtig ontdekten biochemici evenwel dat archaea fundamenteel anders zijn dan bacteriën. Archaea bezitten bijvoorbeeld celmembranen met bijzondere vetmoleculen, tetraetherlipiden genoemd. In hyperthermofiele archaea (organismen die soms zelfs wel boven de 100°C kunnen leven) bevatten deze tetraethers ook nog koolstofringen die waarschijnlijk bijdragen aan de stabiliteit van het membraan bij hoge temperaturen.

Ons werk aan watermonsters en oppervlaktesedimenten van oceanen toonde echter aan dat ook op plekken waar het niet extreem warm is, zoals in de sedimenten van de Noordzee en de Indische Oceaan, deze bijzondere cyclische celmembranen in grote hoeveelheden voorkomen. Deze organismen vormen dus ook een belangrijk onderdeel van het ecosysteem in minder extreme milieus.

Amerikaanse moleculair-biologen beschreven begin 2001 vergelijkbare bevindingen in Nature. Uit hun werk bleek picoplankton, plankton niet groter dan 0,002 millimeter, voor twintig procent uit mariene archaea te bestaan. Deze familie van de warmteminnende archaea is kennelijk geevolueerd om in koelere omgevingen te kunnen overleven.

Juli 2001 publiceerden wij in Science dat deze aanpassing in het Midden-Krijt gebeurd kan zijn. In tegenstelling tot het DNA doorstaan de tetraether-membraanlipiden begraving in sedimenten gedurende lange tijd wanneer de temperatuur maar niet al te hoog oploopt. In sedimenten ouder dan het Albian (ongeveer 112 miljoen jaar geleden) konden we geen tetraethers van koude mariene archaea vinden, terwijl deze specifieke chemische fossielen wel in jongere sedimenten zaten. Op de grenslaag vonden wij een explosieve toename van overblijfselen van koudeminnende archaea.

Door deze vondst denken we dat deze belangrijke organismen op dat moment zijn ontstaan. Waarom is moeilijk te achterhalen. Het Midden-Krijt is een periode gekenmerkt door wijdverspreid onderwater-vulkanisme. Mogelijk dat hyperthermofiele archaea geassocieerd met dit vulkanisme hun vleugels hebben uitgeslagen naar de koude mariene wereld…

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 oktober 2001

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE