Reconstructing the biological carbon pump with ancient plankton DNA

Den biologiske karbonpumpen er en sentral prosess i det marine økosystemet som er avgjørende for jordas klimaregulering. Vårt internasjonale team har som målsetning å finne ut hvordan karbonpumpen har fungert i tidligere tider. Den biologiske karbonpumpen referer til en serie av prosesser hvor CO2 fra atmosfæren først omdannes til organisk karbon av planteplankton. Planteplanktonet beites av planktonorganismer og karbonet fjernes fra karbonkretsløpet i hundre-til tusenvis av år – enten ved å isoleres i dyphavet (hundrevis), eller ved å at det begraves havbunnssedimentene (tusenvis). Til tross for at den biologiske karbonpumpen er svært viktig for regulering av CO2 i atmosfæren vet vi lite om hvordan den selv responderer på klimaendringene. Vi vil bruke prøver fra forhistoriske tider til å finne ut dette. Vi har et unikt sett av prøver av dagens plankton og havbunnsoverflatesediment, i tillegg til tre sedimentkjerneprøver fra nordiske og arktiske havområder som inneholder materiale fra de siste 130 000 år. Sedimentkjernene inneholder informasjon om tidligere tiders marine biodiversitet og kan sammenliknes med det vi finner i dag. Slik sammenlikning vil vi gjøre ved å sekvensere eDNA ekstrahert fra moderne (vann og sedimentoverflate) og eldgamle prøver (sedimentkjerner). Vil vi kartlegge sammenhengen mellom dagens marine samfunn og hvordan karbonpumpen fungerer og videre benytte disse observasjonene, kombinert med vår rekonstruksjon av tidligere tiders biodiversitet, til å finne ut hvordan karbonpumpen fungerte for ca 130 000 år siden - en tidsperiode, kjent som siste mellomistid, svært relevant ettersom det var varmere på jorda da enn i dag. Vi vil sammenlikne våre ancient DNA-baserte rekonstruksjoner med rekonstruksjoner som tar utgangspunkt i Norwegian Earth System Modellen.

The biological carbon pump is a key ecosystem process regulating the ocean carbon cycle and the climate system. Pelagic and benthic biodiversity shape the strength of this process by governing the amount of organic carbon transferred from the surface to the seafloor sediment, where it may be respired or buried for geological timescales. Despite its importance, it remains unclear whether climate change will weaken or strengthen the biological carbon pump. Filling this knowledge gap is crucial as its weakening would amplify global warming and narrow our chances to meet the objectives set by the Paris Agreement. Yet so far, there is no proxy to reconstruct the biological pump from the sediment record, limiting our capacity to assess its responses to past climate changes and consequently informing us on its potential functioning under future warmer-than-present climate. Here, we will implement a cross-disciplinary approach to develop ancient plankton DNA as a proxy for reconstructing the past functioning of the biological carbon pump. We will utilise a novel observation methodology, based on ancient sedimentary DNA, to recover ancient ocean biodiversity beyond the fossil record. We will combine this new data with relevant existing geochemical, climate and DNA data to study the response of the biological carbon pump to past climate changes. We focus our approach on a unique set of surface sediment samples and three Late Quaternary sediment cores in the North Atlantic and Nordic Seas, where carbon sequestration processes via the biological pump are prominent. We will produce the first reconstruction of the biological pump back to the Last Interglacial, a period considered as a future climate analogue. Its past functioning will inform on its potential response to global warming. BIOCAP is hence highly relevant to better understand the effects of climate change on ecosystems and on the processes they support, with direct consequences on the pace of global warming.