Op de bodem van een Fries meertje liggen moleculaire sporen van duizenden jaren oud. Met die biomarkers reconstrueren onderzoekers hoe temperatuur, neerslag en vegetatie vroeger veranderden – en testen ze klimaatmodellen voor de toekomst.
Uit een reageerbuis druppelt een vloeistof in twee glazen potjes. De vloeistof in het ene potje is kleurloos, die in het andere potje bruinig. Het is een gekke gedachte dat dit drabje moleculen bevat van duizenden jaren oud. Daarover leer ik vandaag alles in het Organische Geochemie Laboratorium van de Universiteit Utrecht.
Ik word er rondgeleid door universitair hoofddocent Francien Peterse. De vloeistoffen in de potjes bevatten biomarkers, vertelt Peterse. Dat zijn door organismen geproduceerde moleculen die iets zeggen over het klimaat van tienduizenden jaren geleden. Die biomarkers kom je tegen in sediment: los materiaal, zoals zand, klei en grind dat door de wind, water of ijs is verplaatst en uiteindelijk ergens naar de bodem zakt.
Biomarkers zijn er in alle soorten en maten, zowel op het land als in de zee. Zo bevatten oude veenlagen stuifmeel (pollen) dat informatie geeft over vroegere neerslag en vegetatie. En in de zeebodem zitten organische moleculen die zijn geproduceerd door algen die in of onder het zee-ijs leven. Die bewijzen dat de oceaan op die specifieke plek vroeger bedekt was met ijs. De potjes in Utrecht zijn nu gevuld met biomarkers die de vroegere temperatuur verraden. Dat zit zo: als temperaturen stijgen of dalen, produceren organismen nét iets andere moleculen om hun cellen beter te beschermen tegen de nieuwe omstandigheden. Door deze moleculen te analyseren, kunnen onderzoekers de temperaturen afleiden waaronder ze zijn gevormd.
Peterse en Panbut bemonsteren biomarkers uit een sedimentkern.
Niels Olfert voor NEMO KennislinkScheiden in de magnetron
In het lab is PhD-student Mork Panbut druk bezig om de biomarkers klaar te maken voor analyse. Voordat je biomarkers kunt analyseren moet je ze namelijk eerst uit het sediment halen, en daarna nog eens van elkaar scheiden. Nadat Panbut het sediment met een vijzel heeft verpulverd, verwarmt zij de korrels samen met een oplosmiddel in de magnetron. Hierdoor komen de biomarkers los uit het sediment.
Vervolgens brengt Panbut dit extract over naar een reageerbuis. Hier voegt zij verschillende oplosmiddelen aan toe om de afzonderlijke biomarkers van het ‘totaalextract’ los te peuteren. Panbut legt uit: “Het ene oplosmiddel bindt sterker aan bepaalde biomarkers dan het andere”. Door deze eigenschap te benutten, druppelen uiteindelijk de doorzichtige en de bruinige vloeistof afzonderlijk van elkaar uit de reageerbuis, rechtstreeks de opslagpotjes in.
Smeltende poolkappen
De biomarkers die daarin zitten zijn respectievelijk plantenvetten en bacteriële vetten – beide zo’n tienduizend jaar oud. Peterse wijst naar de twee vloeistofpotjes. “Deze biomarkers komen uit een meertje in de buurt van het Friese dorpje Wijnjewoude. De bodem van dat meertje bevat sediment uit de Jonge Dryas”. Dat is een plotselinge, intense koudeperiode aan het einde van de laatste ijstijd, meer dan tienduizend jaar geleden. “Toen viel in één keer de oceaancirculatie stil en koelde het heel hard af in Europa”, aldus Peterse.
Zo’n klimaatreconstructie is ontzettend waardevol. Want als onderzoekers snappen welke processen vroeger klimaatverandering veroorzaakten, dan kunnen ze ook een stukje beter voorspellen wat de toekomst voor ons in petto heeft. Dat voorspellen gebeurt met klimaatmodellen. Klimaatmodellen zijn in feite enorme computerprogramma’s met miljoenen regels code vol natuurkundige wetten. De computer verdeelt de aarde in kleine blokjes en berekent per blokje temperatuur, neerslag en andere klimaatelementen voor verschillende scenario’s. Bijvoorbeeld wat er gebeurt als de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer blijft stijgen, of juist afneemt door klimaatmaatregelen.
Klimaatarchief van biomarkers
Dit komt doordat zoet smeltwater lichter is dan zout zeewater. Als de oceaancirculatie werkt zoals normaal, zakt dat zoute water bij Groenland naar beneden. Deze neerwaartse beweging trekt als een soort pomp nieuw warm water uit de tropen aan, wat het klimaat in West-Europa relatief mild maakt. Maar als smeltwater mengt met het zoute zeewater zakt het verdunde water niet meer zo gemakkelijk naar onder. Als dat gebeurt werkt ook zo’n oceaanpomp niet meer goed. En kan het klimaat in West-Europa sterk afkoelen.
Om te begrijpen hoe het klimaat op zulke veranderingen reageert, kijken wetenschappers naar het verleden. De keuze voor dit soort meertjes is daarbij goed te verklaren. Als planten, bacteriën en algen sterven, dan belanden ze samen met hun biomarkers in het sediment dat zich door de tijd heen, laagje voor laagje, afzet.
In het meertje nabij Wijnjewoude zijn de laagjes al die jaren netjes op elkaar blijven liggen zonder dat aardprocessen de boel overhoop hebben gehaald. Onderzoekers spreken van een geschikt ‘klimaatarchief’, waarin biomarkers chronologisch voorkomen. Daaruit gereconstrueerde temperaturen kun je dan ook netjes uitzetten tegen de tijd.
Temperatuurbepaling
“Eén temperatuurreconstructie met zo'n honderd tot tweehonderd datapunten kost twee maanden”, zegt Peterse. Dat is dus inclusief analyse. Die gebeurt met chromatografen: apparaten die chemische mengsels opsplitsen in kleinere stukjes. Zo’n chromatograaf splitst de doorzichtige en bruinige vloeistoffen verder op in afzonderlijke moleculen. Dit is mogelijk doordat sommige moleculen sneller door het apparaat bewegen dan andere, waardoor ze van elkaar gescheiden worden.
Peterse: “Met chromatografen meet je hoeveel van een bepaald molecuul aanwezig is. Koppel je een chromatograaf aan een massaspectrometer, dan kun je ook nog eens de structuur van die moleculen bepalen”. Een massaspectrometer meet zowel de structuur van moleculen als de massa ervan. Met dat apparaat zien Peterse en haar collega’s of een molecuul meer of minder koolstofketens, dubbele bindingen of vertakkingen heeft. Dat zijn eigenschappen die afhangen van de temperatuur waarbij het molecuul is gevormd.
Chromatograaf en spectrometer.
Niels Olfert voor NEMO KennislinkToekomst voorspellen
Op land vind je naast temperatuurindicatoren bijvoorbeeld ook plantenresten waarmee je vroegere neerslagpatronen of vegetatiegroei afleidt. Als in dezelfde sedimentmonsters óók biomarkers zitten die iets zeggen over vroegere neerslag en plantengroei, krijg je een completer beeld van het vroegere klimaat. “Zie je bijvoorbeeld dat het een tijd warmer werd, dan kun je ook nagaan waar en wanneer het droger of natter werd, en hoe lang het duurde voordat de vegetatie daarop reageerde”, zegt Peterse.
Zo’n klimaatreconstructie is ontzettend waardevol. Want als onderzoekers snappen welke processen vroeger klimaatverandering veroorzaakten, dan kunnen ze ook een stukje beter voorspellen wat de toekomst voor ons in petto heeft. Dat voorspellen gebeurt met klimaatmodellen. Klimaatmodellen zijn in feite enorme computerprogramma’s met miljoenen regels code vol natuurkundige wetten. De computer verdeelt de aarde in kleine blokjes en berekent per blokje temperatuur, neerslag en andere klimaatelementen voor verschillende scenario’s. Bijvoorbeeld wat er gebeurt als de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer blijft stijgen, of juist afneemt door klimaatmaatregelen.
Computeruitkomsten controleren
“Klimaatmodellen zetten de fysische processen achter klimaatverandering om in berekeningen”, legt Peterse uit. Maar om te weten of die modellen de toekomst betrouwbaar kunnen voorspellen, moeten onderzoekers ze eerst testen op het verleden. Dat is waar de reconstructies in beeld komen. “Begrijpen we het verleden goed en kunnen modellen dat betrouwbaar simuleren, dan groeit ook het vertrouwen in hun voorspellingen voor de toekomst.”
Bij het testen van klimaatmodellen leggen wetenschappers computeruitkomsten naast klimaatreconstructies. Komt de temperatuurverandering redelijk overeen? Dan werkt het klimaatmodel goed en snapt het hoe de aarde reageert op bijvoorbeeld extra broeikasgassen. Zit de computer ernaast, dan moeten onderzoekers terug naar de tekentafel. Misschien mist het model een cruciale natuurkundige factor, of reageren de gebruikte biomarkers in werkelijkheid op andere variabelen dan alleen temperatuur.
Hoewel de natuurkundige basis van klimaatmodellen inmiddels prima in orde is, bestaat er nog onzekerheid over de rol van smeltende ijskappen op oceaanstromingen. Hoe sterk deze processen het klimaat beïnvloeden en wanneer dat precies gebeurt weten onderzoekers nog altijd niet zeker.
Peterse kijkt naar een computerscherm met biomarkerdata uit de spectrometer.
Niels Olfert voor NEMO KennislinkHeilige graal
In dit geval is het nog niet zo makkelijk om de data van de biomarkers te vergelijken met de computermodellen, vertellen Mork en Peterse. Dat komt omdat deze biomarkers laten zien dat de afkoeling vooral plaatsvond in de winter. En juist die winteromstandigheden zijn moeilijk te reconstrueren.
“In de winter, en vooral als het vriest, doen veel microben helemaal niets en groeien planten ook niet echt”, zegt Peterse. Daarom vind je in sedimenten uit winterperiodes bijna nooit biomarkers. “De helige graal is het vinden van een betrouwbare methode die wintertemperaturen kan reconstrueren.” Het klimaat van de toekomst voorspellen blijft dus werk in uitvoering.