By Naomi Wijnia

This article was written by Naomi Wijnia for the course ‘Skills in Science Communication’ in February 2024. The orginial article in Dutch can be found below the English translation.

Global warming today is looking very similar to the climate transition that occurred 56 million years ago. Earth warmed up at least five degrees within five thousand years. At no other time in the past 66 million years did it get so much warmer so quickly and did so many deep-sea animals go extinct. For a long time, researchers wondered why far fewer animals went extinct in the upper layers of the ocean than in the deeper parts. An international research group, led by the Max Planck Institute for Chemistry in Mainz, now thinks it has found the answer to that question.

The research group studied the global warming from 56 million years ago, the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM), to better understand the effects of the current greenhouse effect on life in the ocean. Although the amount of carbon in the atmosphere today is increasing 10 times faster than during the PETM, today’s temperature rise is much like the climate transition from that time. The researchers concluded that the amount of oxygen at the bottom of the ocean decreased, while more oxygen became available in the upper layers of the ocean. They published the results of the study in mid-February in Science.

The researchers looked at climate change during the PETM because of its similarities to the current greenhouse effect. They used the results of six drillings from the Ocean Drilling Program to look at the fossils of foraminifera, small marine animals. The fossils were used to determine the amount of oxygen in the ocean during the PETM and to study the body size of the foraminifera.

This map shows the drilling locations from which the researchers used soil samples.

When the ocean gets warmer, metabolism speeds up and foraminifera need more oxygen. However, there is less oxygen in higher-temperature water. Evolution has therefore caused foraminifera to have smaller bodies in oxygen-deficient areas.

As temperatures increased by five degrees during the PETM, researchers expected the fossils of all foraminifera from this time to become smaller. Foraminifera that lived at the bottom of the ocean were indeed found to become smaller during the PETM. However, to the researchers surprise, they discovered that foraminifera from the higher parts of the ocean had actually grown during this period. This means that the upper layer of the ocean contained more oxygen during the PETM. The researchers concluded that the temperature increased faster in the deeper layers of the ocean than in the higher layers. Because many animals died at the bottom of the ocean, less oxygen was consumed there. The remaining oxygen found its way into the higher layers of the ocean, providing more oxygen to the animals here, which allowed them to grow.

These results explain why during the PETM relatively many animals from the upper layers of the ocean persisted to live, while at the bottom of the ocean more animals became extinct than at any other time during the past 66 million years. This does not mean that the animals from the upper layer of the ocean came out of the PETM unscathed, Simone Moretti emphasizes in a press release from the Max Planck Institute: it took more than a hundred thousand years for life in the upper layers of the ocean to regain its balance.

Moretti co-authored a similar publication in 2022. At the time, research had been done on the Middle Miocene Climatic Optimum (16 million years ago) and the Early Eocene Climatic Optimum (53-49 million years ago), two periods when the Earth was warmer than today. The accompanying publication explained that oxygen-poor regions of the ocean had shrunk during these periods. It was not clear whether this shrinkage was caused by the increased temperature or by complex processes that lasted millions of years. As a result, the researchers could not yet use the results of this study to predict the effects of the current greenhouse effect on oxygen levels in the ocean. After the recent study, however, scientists can make those predictions.

The researchers expect the oxygen-poor regions in the upper layers of the ocean to shrink in the coming decades, just as they did during the PETM. This will make it increasingly difficult for animals on the ocean floor to survive. The researchers, therefore, warn that many plants and animals in the ocean are likely to go extinct as a result of global warming.

---

56 miljoen jaar terug in de tijd: Het broeikaseffect

Geschreven door Naomi Wijnia
De huidige opwarming van de aarde lijkt enorm op de klimaatovergang die zo’n 56 miljoen jaar geleden plaatsvond. De aarde warmde binnen vijfduizend jaar minstens vijf graden op. In geen enkele andere periode in de afgelopen 66 miljoen jaar werd het zo snel zoveel warmer en stierven zoveel diepzeedieren uit. Lange tijd vroegen onderzoekers zich af waarom er in de bovenste lagen van de oceaan veel minder dieren uitstierven dan in de onderste lagen. Een internationale onderzoeksgroep, geleid door het Max Planck Instituut voor Scheikunde uit Mainz, denkt nu het antwoord op die vraag gevonden te hebben.

De onderzoeksgroep bestudeerde de opwarming van 56 miljoen jaar geleden, het Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM), om de gevolgen van het huidige broeikaseffect op het leven in de oceaan beter te begrijpen. Hoewel de hoeveelheid koolstof in de atmosfeer tegenwoordig tien keer zo snel toeneemt als tijdens het PETM, lijkt de temperatuurstijging van nu veel op de klimaatovergang van toen. De onderzoekers concludeerden dat de hoeveelheid zuurstof op de bodem van de oceaan afnam, terwijl er in de bovenste lagen van de oceaan meer zuurstof beschikbaar kwam. De resultaten van het onderzoek publiceerden ze halverwege februari in Science.

De onderzoekers keken naar de klimaatverandering tijdens het PETM vanwege de gelijkenissen met het huidige broeikaseffect. Ze gebruikten de resultaten van zes boringen van het Ocean Drilling Program om te kijken naar de fossielen van foraminiferen, kleine zeediertjes. De fossielen werden gebruikt om de hoeveelheid zuurstof in de oceaan tijdens het PETM te achterhalen en om de lichaamsgrootte van de foraminiferen te bestuderen.

Op deze kaart zie je de boorlocaties waar de onderzoekers bodemmonsters van hebben gebruikt.

Wanneer de oceaan warmer wordt, versnelt de stofwisseling en hebben foraminiferen meer zuurstof nodig. Er zit echter minder zuurstof in water met een hogere temperatuur. Evolutie heeft er om die reden voor gezorgd dat foraminiferen in zuurstofarme gebieden een kleiner lichaam krijgen.

Aangezien de temperatuur tijdens het PETM met vijf graden steeg, verwachtten de onderzoekers dat de fossielen van alle foraminiferen uit deze tijd kleiner zouden worden. Foraminiferen die op de bodem van de oceaan leefden bleken inderdaad kleiner te worden tijdens het PETM. Tot hun verbazing ontdekten de onderzoekers echter dat de foraminiferen uit de hogere delen van de oceaan in deze periode waren gegroeid. Dit betekent dat de bovenste laag van de oceaan meer zuurstof bevatte tijdens het PETM. De onderzoekers concluderen dat de diepere lagen van de oceaan sneller opwarmden dan de hogere lagen. Doordat op de bodem van de oceaan veel dieren uitstierven, werd hier minder zuurstof verbruikt. De overgebleven zuurstof kwam in de hogere lagen van de oceaan terecht, waardoor de dieren hier over meer zuurstof beschikten en dus konden groeien.

Deze resultaten verklaren waarom tijdens het PETM relatief veel dieren uit de bovenste lagen van de oceaan bleven bestaan, terwijl op de bodem van de oceaan meer dieren uitstierven dan op enig ander moment tijdens de afgelopen 66 miljoen jaar. Dit betekent niet dat de dieren uit de bovenste laag van de oceaan ongeschonden uit het PETM kwamen, benadrukt Simone Moretti in een persbericht van het Max Planck Instituut: het duurde meer dan honderdduizend jaar voordat het leven in de bovenste lagen van de oceaan weer in balans was.

Moretti was in 2022 medeauteur van een soortgelijke publicatie. Destijds was onderzoek gedaan naar het Middle Miocene Climatic Optimum (16 miljoen jaar geleden) en het Early Eocene Climatic Optimum (53-49 miljoen jaar geleden), twee perioden waarin de aarde warmer was dan nu. In de bijbehorende publicatie werd uitgelegd dat de zuurstofarme gebieden van de oceaan in deze perioden waren gekrompen. Het was niet duidelijk of deze krimp veroorzaakt werd door de verhoogde temperatuur of door aardkundige processen die miljoenen jaren duurden. Hierdoor konden de onderzoekers met de resultaten van dit onderzoek nog niet voorspellen wat de effecten van het huidige broeikaseffect op het zuurstofgehalte in de oceaan zouden zijn. Na het recente onderzoek kunnen wetenschappers die voorspellingen wel doen.

De onderzoekers verwachten dat de zuurstofarme gebieden in het bovenste deel van de oceaan in de komende decennia zullen krimpen, net als tijdens het PETM. Voor dieren op de bodem van de oceaan zal het daardoor steeds moeilijker worden om te overleven. De onderzoekers waarschuwen dan ook dat er waarschijnlijk veel planten en dieren in de oceaan zullen uitsterven als gevolg van het broeikaseffect.