Environmental ancient DNA as proxy for sea ice reconstructions

Arktisk havisutbredelse har vært i rask tilbaketrekning de siste tiårene, og dagens beregninger tilsier at den arktiske sommeren vil bli isfri før slutten av dette århundre. Dette er en drastisk endring med stor betydning både for lokale samfunn og for globale klimaforhold. For å forstå følgene er det avgjørende å kunne dokumentere variasjon i, og med hvor stor hastighet, den arktiske havisutbredelsen endrer seg. Satellittbilder og historiske rapporter gir et bilde av svingningene tilbake til det nittende århundre, men for å fange opp den hurtige tilbaketrekningen havisutbredelsene vi nå er vitne til må man rekonstruere endringene i forhistorisk tid. Vi benytter spor etter tidligere tiders havis, nå bevart i havbunnssedimentene («proxy»), for å lage slike rekonstruksjoner. Det finnes ikke mange proxy-er å velge mellom, og alle har både sterke og svake sider. I det tverrfaglige prosjektet aDNAPROX, har paleo-oseanografer og molekylære økologer derfor jobbet sammen om å utvikle og evaluere bruken av sedimentært forhistorisk («ancient») miljø-DNA til bruk for rekonstruksjon av Arktisk havisutbredelse. Vi hadde som mål å utvikle en innovativ metodikk som gir økt innsikt i hvordan havisutbredelsen har variert på en geologisk tidsskala. Dette for i sin tur gi oss en bedre oversikt over endringer i den arktiske kryosfæren og øke vår forståelse for hvilken betydning det har både lokalt og globalt. Vi har gjennom prosjektet fremskaffet havisbiomarkør- og molekylære data i kombinasjon med palynologiske oversikter fra overflatesedimenter så vel som og sedimentkjerner fra Polhavet, Grønlandshavet og Labradorsjøen. I en 100 000 år gammel sedimentkjerne fra Grønlandshavet fant vi sedimentært forhistorisk miljø-DNA med en sammensetning som kunne relateres til endringer i havisutbredelsen. I samme sedimentkjernen fant vi også genetiske spor etter en spesifikk havis-organisme. Samme type spor, fra samme type organisme, fant vi også på overflaten av havbunnssedimentene ved en annen arktisk lokalitet. Vi har analysert sedimentært DNA i nyere havbunnssedimenter med ulike havisregimer og avdekket hvordan dette fører til svært forskjellig biologiske diversitet. I sum peker alle våre resultater i retning av sedimentært forhistorisk miljø-DNA som en god hav-is proxy. Vårt pioner-arbeid kommer til å fortsette i et nytt ERC finansiert prosjekt som vil integrere aDNAPROX resultatene med flere nye data. Nytteverdien av sedimentært, forhistorisk miljø-DNA for havis-rekonstruksjoner vil da kunne studeres nøyere, og bruken utvides i generell paleooseanografisk retning.

The project has demonstrated that techniques from microbial ecology can be applied to address paleoceanographic questions, hereby opening a new cross-disciplinary research field. The pioneering work within the project was crucial to secure further funding from the Europen Research Council, which ensures the continuation of ancient DNA work by the aDNAPROX research team. This team has learned the skills and competences to drive this emerging field forwards and operate a newly established cross-disciplinary ancient DNA research lab in Norway.

Sea ice cover is a 'canary in the coal mine' for the Arctic and global climate state. Sea ice extent is rapidly decreasing and Arctic summers are predicted to be sea-ice free by 2050. Because sea ice is crucial for sustaining local Arctic communities, international ecosystem services and biological diversity, there is an urgent need to understand variability in sea ice cover over longer time scales. Our best tool to predict future sea ice coverage is to understand past trends. Research activities investigating past natural variability in sea ice extent rely on microfossils and/or organic biomarkers produced by organisms that are associated with sea ice. Both methods have inherent assumptions and limitations, which make sea ice reconstructions non-trivial. To improve our understanding of sea ice history in the recent geological past, with special attention to rapid climate change events (e.g. Dansgaard/Oeschger cycles, Heinrich events), we propose to develop a new proxy for determining past sea ice cover using environmental ancient DNA (aDNA) from Arctic sediments. We have obtained preliminary results indicating that aDNA can be a valuable proxy to reconstruct past sea ice cover. Here we propose to further develop and assess the aDNA proxy and compare with traditional microfossil and organic biomarker proxies in order to provide a reference framework for understanding present-day and future accelerated sea ice loss as a consequence of anthropogenic climate change. More reliable proxies will aid policy makers and end-users of ecosystem services to make well-informed decisions on climate change mitigation in the Arctic.