Forskare som studerar löv från en 23 miljoner år gammal skog har för första gången kopplat samman höga nivåer av atmosfärisk koldioxid med ökad växttillväxt, och det varma klimatet utanför tiden. Fyndet bidrar till förståelsen av hur koldioxiden stiger ₂ värmer jorden, och hur dynamiken i växtlivet kan förändras inom decennier, när CO ₂ nivåer kan nära spegla de från det avlägsna förflutna.

Forskare hämtade löven från en unik nyzeeländsk sjöbädd som rymmer resterna av växter, alger, spindlar, skalbagge, flugor, svampar och andra levande varelser från en varm period känd som tidig miocen. Forskare har länge postulerat att CO ₂ var hög då, och vissa växter skulle kunna skörda det mer effektivt för fotosyntes. Detta är den första studien som visar att dessa saker faktiskt hände samtidigt. Resultaten publicerades denna vecka i tidskriften Det förflutnas klimat .

"Det fantastiska är att dessa blad i princip är mumifierade, så vi har deras ursprungliga kemiska sammansättningar, och kan se alla deras fina egenskaper under ett mikroskop, " sa huvudförfattaren Tammo Reichgelt, en adjungerad vetenskapsman vid Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory och biträdande professor i geovetenskap vid University of Connecticut. "Bevis har byggt upp den CO ₂ var hög då, men det har funnits paradoxer."

Den så kallade "kolbefruktningseffekten" har enorma konsekvenser. Lab- och fältexperiment har visat att när CO ₂ nivåerna stiger, många växter ökar sin fotosynteshastighet, eftersom de mer effektivt kan ta bort kol från luften, och spara vatten medan du gör det. Verkligen, en studie från 2016 baserad på NASA-satellitdata visar en "global grönningseffekt" främst på grund av stigande nivåer av konstgjord koldioxid ₂ under de senaste decennierna; en fjärdedel till en halv av planetens vegeterade marker har sett ökningar i bladvolym på träd och växter sedan omkring 1980. Effekten förväntas fortsätta som CO ₂ nivåerna stiger.

Detta kan tyckas vara goda nyheter, men verkligheten är mer komplex. Ökad CO ₂ absorption kommer inte att vara i närheten av att kompensera för vad människor häller ut i luften. Alla växter kan inte dra nytta, och bland dem som gör det, resultaten kan variera beroende på temperatur och tillgång på vatten eller näringsämnen. Och, det finns bevis för att när vissa större grödor fotosyntetiseras snabbare, de absorberar relativt mindre kalcium, järn, zink och andra mineraler som är viktiga för mänsklig näring. Eftersom mycket av dagens växtliv utvecklades i en tempererad, låg CO ₂ värld, vissa naturliga och jordbruksmässiga ekosystem skulle kunna upphävas av högre CO ₂ nivåer, tillsammans med de stigande temperaturer och skiftningar i nederbörd de medför. "Hur det går är någons gissning, " sa Reichgelt. "Det är ytterligare ett lager av stress för växter. Det kan vara bra för vissa, och hemskt för andra."

Depositionen ligger i en liten, sedan länge utdöd vulkankrater som nu ligger på en gård nära staden Dunedin i södra Nya Zeeland. kratern, ungefär en kilometer tvärs över, en gång innehöll en isolerad sjö där successiva lager av sediment byggdes upp från den omgivande miljön. Funktionen kändes igen endast inom ungefär de senaste 15 åren; forskare kallade det Foulden Maar. Att erkänna det som en vetenskaplig guldgruva, de har studerat det sedan dess. Vissa har också kämpat mot ett verkligt gruvbolag som vill ta bort fyndigheten för djurfoder.

I den nya studien, forskarna tog prover från en borrkärna från 2009 som penetrerade 100 meter till nära botten av den nu torra sjöbädden. Smält mellan vitaktiga årliga lager av kiseldioxidrika alger som blommade varje vår i 120, 000 år är omväxlande svartaktiga lager av organiskt material som fallit in under andra årstider. Dessa inkluderar otaliga löv från en subtropisk vintergrön skog. De är bevarade så perfekt att forskare kan se mikroskopiska vener och stomata, porerna genom vilka löv tar in luft och samtidigt släpper ut vatten under fotosyntesen. Till skillnad från de flesta fossiler, bladen behåller också sin ursprungliga kemiska sammansättning. Det är den enda sådana kända fyndigheten på södra halvklotet, och långt bättre bevarade än de få liknande kända från norr.

Miocen har länge varit en källa till förvirring för paleoklimatforskare. Den globala genomsnittstemperaturen tros ha varit 3 till 7 grader varmare än idag, och is försvann i stort sett vid polerna. Ändå många ombud, huvudsakligen härrörande från marina organismer, har föreslagit CO ₂ nivåerna var bara omkring 300 delar per miljon - liknande de under förindustriell mänsklig tid, och inte tillräckligt för att förklara en sådan uppvärmning. Med bevis på hög CO ₂ svårfångad, forskare har spekulerat i att tidigare proxymätningar måste vara avstängda.

Baserat på den nya studien och en relaterad tidigare också på Foulden Maar, forskarna kunde komma fram till denna gåta. De analyserade kolisotoperna i löv från ett halvdussin trädarter som finns på olika nivåer i fyndigheten. Detta hjälpte dem att komma in på kolhalten i atmosfären vid den tiden. De analyserade också geometrin hos bladens stomata och andra anatomiska egenskaper, och jämförde dessa med moderna löv. Genom att kombinera all data till en modell, de fann att atmosfärisk CO ₂ var inte 300ppm, men cirka 450-en bra matchning för temperaturdata. Andra, de visade att träden var supereffektiva på att suga in kol genom stomata, utan att läcka mycket vatten genom samma väg - en faktor som alla växter måste ta hänsyn till. Detta gjorde att de kunde växa i marginalområden som annars skulle ha varit för torra för skog. Forskarna säger att denna högre effektivitet med stor sannolikhet återspeglades i skogar över de nordliga tempererade breddgraderna, med sina långt större landmassor.

Mänskliga utsläpp har nu drivit koldioxid ₂ nivåer till cirka 415 delar per miljon, och de kommer nästan säkert att nå 450 omkring 2040 - identiska med de som upplevs av Foulden Maar-skogen. Uppskattningar av de resulterande temperaturökningarna under decennier och århundraden varierar, men den nya studien tyder på att de flesta är i bollplanken.

"Allt hänger ihop, allt är vettigt, " sa studiemedförfattare William D'Andrea, en paleoklimatforskare vid Lamont-Doherty. Förutom att visa hur växter kan reagera direkt på CO ₂ , "Detta borde ge oss mer förtroende för hur temperaturen kommer att förändras med CO ₂ nivåer, " han sa.

Studiemedförfattare Daphne Lee, en paleontolog vid Nya Zeelands University of Otago, ledde anklagelsen för att studera Foulden Maars rika ekosystem efter att det kom i dagen. På senare tid, hon blev en oväntad försvarare av maar, när ett företag med ägare i Malaysia och Storbritannien tillkännagav planer på att bryta fyndigheten för att användas som fodertillsats för grisar, ankor och andra intensivt odlade djur. Med många fler upptäckter som förmodligen kommer att göras, vetenskapsmän var förskräckta, och allierade sig med lokalbefolkningen som fruktade buller och damm. Dunedins kommunfullmäktige undersöker nu att köpa marken för att skydda den.