Forskere, der studerer blade fra en 23 millioner år gammel skov, har for første gang forbundet høje niveauer af atmosfærisk kuldioxid med øget plantevækst og det varme klima uden for tiden. Fundet bidrager til forståelsen af, hvordan stigende CO2 opvarmer Jorden, og hvordan dynamikken i plantelivet kan ændre sig inden for årtier, når CO2 niveauer kan nøje afspejle dem fra den fjerne fortid.
Forskere hentede bladene fra en enestående newzealandsk søbund, der rummer rester af planter, alger, edderkopper, biller, fluer, svampe og andre levende ting fra en varm periode kendt som den tidlige miocæn. Forskere har længe postuleret, at CO2 var høj dengang, og nogle planter kunne høste det mere effektivt til fotosyntese. Dette er den første undersøgelse, der viser, at disse ting faktisk skete i takt. Resultaterne blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Climate of the Past.
"Det fantastiske er, at disse blade grundlæggende er mumificerede, så vi har deres originale kemiske sammensætninger og kan se alle deres fine træk under et mikroskop," sagde hovedforfatter Tammo Reichgelt, en adjungeret videnskabsmand ved Columbia University's Lamont -Doherty Earth Observatory og assisterende professor i geovidenskab ved University of Connecticut. "Der er blevet opbygget beviser for, at CO2 var høj dengang, men der har været paradokser."
Den såkaldte "kulstofbefrugtningseffekt" har enorme konsekvenser. Laboratorie- og felteksperimenter har vist, at når CO2-niveauerne stiger, øger mange planter deres fotosyntesehastighed, fordi de mere effektivt kan fjerne kulstof fra luften og spare på vandet, mens de gør det. Faktisk viser en undersøgelse fra 2016 baseret på NASA-satellitdata en "global grønning"-effekt, primært på grund af stigende niveauer af menneskeskabt CO2 i løbet af de seneste årtier; en kvart til halvdelen af planetens bevoksede områder har oplevet stigninger i bladvolumen på træer og planter siden omkring 1980. Effekten forventes at fortsætte, efterhånden som CO2 niveauerne stiger.
Dette kan virke som gode nyheder, men virkeligheden er mere kompleks. Øget CO2 absorption vil ikke være tæt på at kompensere for, hvad mennesker hælder ud i luften. Ikke alle planter kan drage fordel, og blandt dem, der gør det, kan resultaterne variere afhængigt af temperatur og tilgængelighed af vand eller næringsstoffer. Og der er tegn på, at når nogle større afgrøder fotosynteserer hurtigere, absorberer de relativt mindre calcium, jern, zink og andre mineraler, der er afgørende for menneskets ernæring. Fordi meget af nutidens planteliv udviklede sig i en tempereret verden med lav CO2, kunne nogle naturlige og landbrugsmæssige økosystemer blive forstærket af højere CO2 niveauer, sammen med de stigende temperaturer og skift i nedbør, de medfører. "Hvordan det forløber er nogens gæt," sagde Reichgelt. "Det er endnu et lag af stress for planter. Det kan være fantastisk for nogle og forfærdeligt for andre."
Aflejringen er placeret i et lille, for længst uddødt vulkankrater, der nu ligger på en gård nær den sydlige New Zealandske by Dunedin. Krateret, omkring en kilometer på tværs, holdt engang en isoleret sø, hvor på hinanden følgende lag af sedimenter blev bygget op fra det omgivende miljø. Funktionen blev kun genkendt inden for omkring de sidste 15 år; videnskabsmænd døbte det Foulden Maar. De anerkender det som en videnskabelig guldmine, og de har studeret det lige siden. Nogle har også kæmpet mod et egentligt mineselskab, der ønsker at fjerne depositummet til husdyrfoder.
I den nye undersøgelse tog forskerne prøver fra en borekerne fra 2009, der penetrerede 100 meter til nær bunden af den nu tørre søbund. Smukt ind mellem hvidlige årlige lag af silica-rige alger, der blomstrede hvert forår i 120.000 år, er vekslende sortlige lag af organisk stof, der faldt ind under andre årstider. Disse omfatter utallige blade fra en subtropisk stedsegrøn skov. De er bevaret så perfekt, at forskerne kan se mikroskopiske vener og stomata, de porer, hvorved blade suger luft ind og samtidig frigiver vand under fotosyntesen. I modsætning til de fleste fossiler bevarer bladene også deres oprindelige kemiske sammensætning. Det er den eneste kendte aflejring på den sydlige halvkugle og langt bedre bevaret end de få lignende, der kendes fra nord.
Miocæn har længe været en kilde til forvirring for palæoklimaforskere. De gennemsnitlige globale temperaturer menes at have været 3 til 7 grader C varmere end i dag, og is forsvandt stort set ved polerne. Alligevel har mange proxyer, hovedsageligt afledt af marine organismer, antydet, at CO2-niveauer kun var omkring 300 dele pr. million, svarende til dem i den præindustrielle menneskelige tid, og ikke nok til at tage højde for en sådan opvarmning. Med bevis for høj CO2 undvigende, har videnskabsmænd spekuleret i, at tidligere proxy-målinger skal være slået fra.
Baseret på den nye undersøgelse og en relateret tidligere undersøgelse også hos Foulden Maar, var forskerne i stand til at finde ud af denne gåde. De analyserede kulstofisotoperne i blade fra et halvt dusin træarter fundet på forskellige niveauer i aflejringen. Dette hjalp dem med at nulstille atmosfærens kulstofindhold på det tidspunkt. De analyserede også geometrien af bladenes stomata og andre anatomiske træk og sammenlignede disse med moderne blade. Ved at kombinere alle data i en model fandt de ud af, at atmosfærisk CO2 ikke var 300 ppm, men omkring 450 - et godt match for temperaturdataene. For det andet viste de, at træerne var supereffektive til at suge kulstof gennem stomata uden at lække meget vand gennem den samme rute - en faktor, som alle planter skal tage højde for. Dette gjorde det muligt for dem at vokse i marginale områder, der ellers ville have været for tørre til skove. Forskerne siger, at denne højere effektivitet med stor sandsynlighed blev afspejlet i skove på tværs af de nordlige tempererede breddegrader med deres langt større landmasser.
Menneskelige emissioner har nu skubbet CO2-niveauerne til omkring 415 dele per million, og de vil næsten helt sikkert nå op på 450 omkring 2040 - identisk med dem, der opleves i Foulden Maar-skoven. Estimater af de resulterende temperaturstigninger over årtier og århundreder varierer, men den nye undersøgelse tyder på, at de fleste er i boldgaden.
"Det hele passer sammen, det hele giver mening," sagde studiemedforfatter William D'Andrea, en palæoklimaforsker ved Lamont-Doherty. Ud over at vise, hvordan planter kan reagere direkte på CO2, "bør dette give os mere tillid til, hvordan temperaturerne vil ændre sig med CO2 niveauer, " han sagde.
Medforfatter af undersøgelsen Daphne Lee, en palæontolog ved New Zealands University of Otago, førte anklagen om at studere Foulden Maars rige økosystem, efter at det kom frem i lyset. For nylig blev hun en uventet forsvarer af maar, da et firma med ejere i Malaysia og Det Forenede Kongerige annoncerede planer om at udvinde forekomsten til brug som fodertilsætningsstof til grise, ænder og andre intensivt opdrættede dyr. Med mange flere opdagelser, der sandsynligvis skal gøres, var videnskabsmænd forfærdede og allierede sig med lokalbefolkningen, der frygtede støj og støv. Byrådet i Dunedin overvejer nu at købe jorden for at beskytte den.
Undersøgelsen var også medforfatter af Ailín del Valdivia-McCarthy, en tidligere praktikant hos Lamont-Doherty; Bethany Fox fra University of Huddersfield; Jennifer Bannister fra University of Otago; John Conran fra University of Adelaide; og William Lee fra University of Auckland.
