Hur kan vi veta något om koldioxidhalterna i atmosfären i jordens djupa förflutna? Små bubblor fångade i is ger prover av forntida luft men detta rekord går bara tillbaka 800, 000 år. För att nå längre tillbaka, vetenskapsmän måste vara beroende av klimatmakter, eller mätbara parametrar som varierar systematiskt med klimatförhållandena.

Standardproxy är syreisotopförhållandena i små zooplankton som kallas foraminifera. Det finns mer än 50, 000 olika arter av dessa buggar, 10, 000 levande och 40, 000 utrotade. Eftersom foraminifera -skalen ganska troget registrerar förhållandena mellan syreisotoper i havsvatten, de ger en signal som kan användas för att utläsa gamla temperaturer.

Men det finns en annan potentiell proxy som samlar damm i sedimentarkivet:liten växtplankton som kallas coccolithophores. De finns i stort antal i hela havets solljus. Deras lilla, navlock-liknande plattor, kallas coccoliths, är huvudkomponenten i krita, den sena krittformationen som växer fram vid Dover's White Cliffs, och en huvudkomponent i den "kalkrika osen" som täcker mycket av havsbotten.

Eftersom coccolithophores är primära producenter som är viktiga för havsbiogeokemi är de välstuderade organismer. De används mindre för paleoceanografiska rekonstruktioner än foraminifera, dock, eftersom de skapar sina plattor inuti sina celler snarare än att fälla ut dem direkt från havsvatten. Det betyder att det finns ett stort biologiskt övertryck på klimatsignalen som gör det svårt att tolka.

Men nya fynd, publicerad i tidningen 28 februari Naturkommunikation , skulle kunna ändra på det. Återskapa den förhistoriska miljön under laboratorieförhållanden, ett team av forskare från University of Oxford, inklusive Harry McClelland, nu en postdoktoral forskningsassistent vid Washington University i St. Louis, och Plymouth Marine Laboratory växte flera olika arter av denna alger, var och en med olika kolhalter.

Med denna experimentella data, de skapade en matematisk modell av kolflöden i coccolithophore -cellen som står för tidigare oförklarliga variationer i isotopkompositionen av blodplättarna som algerna producerar och utgör ramen för utvecklingen av en ny uppsättning proxies.

Rätt förstått, "bruset" kan i sig vara en signal. Coccoliths ger ett fönster om antik biologi såväl som klimat, Sa McClelland.

Tunga och lätta coccoliths

McClelland förklarar att forskarna började med lite av ett mysterium. Coccoliths hade delats in i två grupper - en lätt och en tung grupp - baserat på om trombocyterna som de fällde ut var sämre eller rikare i den sällsyntare tunga isotopen av kol jämfört med kalciumkarbonat som bildades av fysiska (abiotiska) processer. Avvikelserna från den abiotiska normen var "både stora och gåtfulla, "Sa McClelland.

Tunga isotoper genomgår alla samma kemiska reaktioner som lätta isotoper, men, helt enkelt för att de har lite olika massor, de gör det med lite olika hastigheter. Dessa små skillnader i reaktionshastigheter gör att reaktionsprodukterna har olika isotopförhållanden än källmaterialen.

Kokolitoforerna utför relevant kolkemi i två olika cellfack:kloroplasten, där fotosyntesen sker, och coccolith vesicles, där trombocyter fälls ut. Huvudproblemet med att dechiffrera deras isotoprekord som algerna lämnar är att dessa två processer driver isotopkompositionen av kolbassängen i motsatta riktningar.

I sina kloroplaster, coccolithophores tar oorganiskt kol och bygger det till biologiska molekyler. Denna process fortskrider mycket snabbare för CO2 som innehåller den ljusisotopen av kol, vilket får den isotopiska kompositionen att driva till den tyngre varianten. Trombocyter som växer i coccolith vesicles, å andra sidan, införlivar företrädesvis den tyngre formen av kol från substratpoolen.

Teamet valde ett antal coccolithophore -arter, både lätt och tungt, och odlade dem i laboratoriet - "det skiljer sig inte så mycket från trädgårdsarbete, McClelland sa " - och konstruerade sedan en matematisk modell av cellen som kunde förutsäga de isotopiska resultaten för alla arter för vilka data var tillgänglig.

De kunde visa att förhållandet mellan förkalkning och fotosyntes avgör om trombocyterna är isotopiskt tyngre eller lättare än abiogen kalciumkarbonat. De kunde förklara avgångens storlek samt dess riktning.

För McClelland, den mest spännande delen av studien är att den öppnar ett fönster om biologin hos gamla varelser. När människor använder foraminifera som klimatproxy, han sa, de väljer vanligtvis en art och antar en konstant biologisk effekt, eller förskjutning. Men vi kan se effekterna av varierande biologi i kokokolitoforernas kemiska signaturer.

Med mer forskning, sa McClelland sa, coccolith-baserade isotopförhållanden kan utvecklas till en paleobarometer som skulle hjälpa oss att förstå klimatsystemets känslighet för koldioxid i atmosfären.

"Vår modell gör det möjligt för forskare att förstå algsignaler från det förflutna, som aldrig förr. Det låser upp potentialen hos fossiliserade kokolitoforer att bli ett rutinmässigt verktyg, används för att studera gammal algfysiologi och även i slutändan som en registrering av tidigare CO2 -nivåer, "sa seniorförfattaren Rosalind Rickaby, professor i biogeokemi vid Oxford.