Sinds er industrie bestaat hebben mensen ongelooflijke hoeveelheden koolstofdioxide (CO₂) de lucht in gelaten. Er is weinig twijfel meer dat de aarde daardoor opwarmt. Hoeveel, dat probeert het klimaatpanel IPCC zo goed mogelijk te voorspellen. De concentratie CO₂ in de lucht is nu ongeveer 400 parts per million (ppm), anderhalf keer zoveel als voor de industriële revolutie. Zal de CO₂-concentratie nogmaals verdubbelen (en als we niets doen gebeurt dat ook), dan is de aarde tegen die tijd 2 tot 4,5 graad warmer dan nu.  
Een vrij precieze berekening, lijkt het. Maar daar is niet iedereen het mee eens. De Utrechtse klimaatwetenschapper Appy Sluijs zegt in een filmpje: 'Die onzekerheid van 2 tot 4,5 graad, is het verschil tussen de Groenlandse ijskap laten liggen of afsmelten.' We weten dus helemaal nog niet zo nauwkeurig hoe gevoelig het klimaat is voor veranderingen van de concentratie van koolstofdioxide.
Jaap Sinninghe Damsté stelt zelfs, dat deze schattingen voor het opwarmen van de aarde wel eens aan de conservatieve kant kunnen zijn. Sinninghe Damsté is een collega van Sluijs en werkzaam bij het NIOZ (Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee) op Texel. Hij is chemicus van origine en gebruikt organisch chemische verbindingen om de temperatuur in de oertijd te bepalen. Dat is bijzonder, want organische verbindingen worden meestal snel afgebroken als ze in het milieu terechtkomen. Denk aan plantenresten die in compost worden omgezet. Sommige stoffen uit de cellen van organismen blijven echter miljoenen jaren bewaard, legt Sinninghe Damsté uit. 'Die vertellen ons iets over de oertijd waarin het organisme leefde.'
 
Chemische fossielen
In sedimenten, afzettingen op de zeebodem, zitten organische resten van micro-organismen die leefden in de tijd waarin het sediment werd afgezet. Neem je een bodemmonster van 50 miljoen jaar geleden, dan vind je resten van onder andere bacteriën van 50 miljoen jaar oud. Niet het hele organisme, maar vetachtige verbindingen uit het celmembraan. Dat is het beschermende jasje om de cellen van de organismen heen. Een celmembraan beschermt de inhoud van de cel en geeft hem vorm en stevigheid. Omdat het celmembraan vanwege zijn functie zo robuust is, blijven de vetachtige verbindingen, de lipiden, lang behouden. 'Wanneer deze moleculen in sedimenten terechtkomen, kunnen ze heel lang onveranderd bewaard blijven. Soms tot wel twee miljard jaar. Met deze verbindingen gaan wij aan de slag voor de reconstructie van het klimaat,' zegt Sinninghe Damsté.
Die verbindingen zijn een soort fossielen, maar dan niet de versteende resten van een dinosaurus, maar moleculaire resten. Chemische fossielen. Maar hoe kun je daarmee nu het klimaat reconstrueren? Dat kan doordat een celmembraan zich aanpast aan zijn leefomgeving. Of de omgeving waarin het organisme leeft nu heel koud is, heel heet, of heel zout of zuur, het celmembraan past zich zo aan dat de cel opgewassen is tegen de omstandigheden. Die aanpassing gebeurt door de chemische samenstelling van het membraan te wijzigen. Gaat het organisme dood, dan komen de resten, waaronder de verbindingen uit het celmembraan, in de zeebodem terecht. Daaruit worden ze, soms miljoenen jaren later, weer door klimaatonderzoekers opgevist.
 
Oerklimaat
Binnen een nieuw Nederlands consortium van klimaatgeleerden, NESSC, gaan Sinninghe Damsté en collega's nauwkeuriger onderzoeken hoe het klimaat eruit zag in de oertijd, miljoenen jaren geleden. Daaruit kunnen we lessen trekken voor de toekomst, zegt Sinninghe Damsté. 'Het blijkt bijvoorbeeld veel warmer te zijn geweest in tijden dat er een hoge CO₂-concentratie in de lucht was, dan we tot nu toe aannamen. In het Plioceen, vier miljoen jaar geleden, was er bijvoorbeeld een CO₂-concentratie van 400 ppm, net als nu. Maar de gemiddelde temperatuur op aarde was zo'n 2 tot 3 graden hoger. In Arctisch Canada was het toen zelfs 10 tot 20 graden warmer.'
De uitdaging is: hoe kom je aan die gegevens? Hoe reconstrueer je het klimaat op aarde ten tijde van de dinosaurussen? Voor het recente verleden zoals het Plioceen lukt dat nog wel. Die gegevens zijn dan ook bekend. Het ijs op de polen bevat bijvoorbeeld nog belletjes koolzuurgas uit de tijd dat het ijs is gevormd. Daaruit kun je afleiden hoeveel CO₂ er toen in de lucht zat.
Maar die ijskernen gaan niet verder terug dan maximaal een miljoen jaar oud. En gedurende die tijd is de CO₂-concentratie nooit zo hoog geweest als nu. Conclusies over het toekomstige klimaat uit metingen van de afgelopen miljoen jaar zullen dus niet erg nauwkeurig zijn. 'In mijn optiek is het belangrijk om verder terug te gaan in de tijd', vindt Sinninghe Damsté. 'Maar dan is er een probleem, omdat je methoden nodig hebt om de temperatuur en CO₂-gehalte nauwkeurig te reconstrueren. Dat is wat wij doen met chemische fossielen.'
 
Dinothermometer
Zo'n dertig jaar geleden ontdekten Nederlandse wetenschappers de eerste chemische fossielen. In monsters van de zeebodem bij het Walvisrif bij Zuid Afrika, vonden ze een reeks nieuwe vetachtige verbindingen, alkenonen geheten. De verbindingen bleken afkomstig van miljoenen jaren oude kalkalgjes; eencellige algen die ook vandaag de dag nog leven.
Moleculen van deze alkenonen zijn langerekte kralensnoeren van koolstofatomen met een zuurstofatoom op het eind. Op een aantal plaatsen in het kralensnoer van het alkenon zitten twee opeenvolgende kralen niet verbonden met een soepel snoer maar met een onbuigzaam stokje. Dat is een zogeheten dubbele binding.
Het aantal dubbele bindingen in de keten van de alkenonen kan verschillen, en dat is cruciaal. Britse onderzoekers ontdekten namelijk dat kalkalgen die in warm water leefden, meer alkenonen met twee dubbele bindingen in hun celmembraan hadden. Kalkalgen die in koud water leefden, maakten meer alkenonen met drie dubbele bindingen aan. Zo kun je precies vaststellen wat de verhouding tussen tweevoudig en drievoudig onverzadigde alkenonen is bij een bepaalde watertemperatuur.
Daarna neem je een monster uit de zeebodem van bijvoorbeeld vijf miljoen jaar oud, waarin je die verhouding bepaalt. Daaruit kun je afleiden bij welke temperatuur de kalkalgen leefden in die tijd. Zo weet je dus precies de watertemperatuur van vijf miljoen jaar geleden. Het is een thermometer voor de oertijd, een paleothermometer.
'Met de alkenonen-paleothermometer kun je tot zo'n dertig tot veertig miljoen jaar terug de zeewatertemperatuur bepalen,' zegt Sinninghe Damsté. 'Maar veel ouder lukt meestal niet. We vinden geen alkenonen in oudere sedimenten. Wij denken dat dat komt doordat alkenonen langzaam worden afgebroken.'
 
Badwater in de IJszee
De onderzoeksgroep van Sinninghe Damsté stuitte op een alternatief voor de alkenonen waarmee je wel verder terug in de tijd kunt. Zij deden onderzoek naar archaea, ook wel oerbacteriën genoemd. Die leven normaal gesproken onder heel extreme omstandigheden, zoals een heel hoge watertemperatuur, maar sommige soorten blijken ook bij minder radicale omstandigheden te leven. De onderzoekers vonden verbindingen uit het celmembraan die iets vertellen over de condities waarbij de archaea leefden. Deze membraanlipiden zijn chemisch gezien net even anders dan die van 'gewone' organismen, waardoor ze veel beter tegen hoge temperaturen kunnen.
Maar er bleek een nog subtielere variatie in de lipiden te zijn aangebracht door de archaea. Naarmate de organismen bij hogere temperatuur konden overleven hadden ze meer ringvormige structuren in de lipiden gebouwd. De verhouding tussen de hoeveelheid lipiden met een, twee, drie of vier ringen bleek een nauwkeurige maat voor de zeewatertemperatuur waarin de organismen leefden. Zo stelden de onderzoekers vast dat het water van de Noordelijke IJszee 55 miljoen jaar geleden een temperatuur van ongeveer 24°C had. Nu is dat natuurlijk rond de 0°C.
De nieuwe paleothermometer is veel breder toepasbaar dan de oude, legt Sinninghe Damsté uit. 'Deze zogeheten etherverbindingen zijn veel stabieler dan alkenonen. We vinden ze daarom ook terug in sedimenten tot wel 160 miljoen jaar oud.' De naam van de nieuwe paleothermometer: TEX86. Dat verwijst natuurlijk naar de plaats van ontdekking: het NIOZ op Texel.
 
Zuurstofloos
Met de paleothermometers hebben de onderzoekers een nauwkeurige methode om te temperatuur in het verleden te bepalen. Dat gegeven wil Sinninghe Damsté onder andere relateren aan de hoeveelheid CO2 in de lucht. Een van de interessantste perioden om te onderzoeken in dat opzicht, vindt Sinninghe Damsté het Midden-Krijt, 90 tot 130 miljoen jaar geleden. 'De concentratie CO₂ in de lucht was toen naar schatting ruim boven de 1000 ppm. Als we niks doen aan onze uitstoot van CO₂ is de kans aanwezig dat we die waarde in de toekomst weer bereiken. Aan de omstandigheden in het Midden-Krijt kunnen we dus aflezen wat ons misschien te wachten staat.'
Vóór de ontdekking van de chemische fossielen dacht men dat het in het Midden-Krijt niet al te warm was. 'Misschien een paar graden warmer dan nu. Maar met de TEX86 hebben we vastgesteld dat de temperatuur van de Atlantische Oceaan toen 35 tot 40 graden Celsius was. Dat is nogal een verschil met nu,' aldus de onderzoeker. Het hangt er vanaf waar je meet, maar de temperatuur van de Atlantische Oceaan ligt nu tussen 4 en 25°C.
 
Tijdbom
Nieuw onderzoek richt zich op methaan. Dat is een veel sterker broeikasgas dan koolstofdioxide. Het heeft dus een sterkere invloed op het klimaat, vertelt de onderzoeker. 'Er zijn bacteriën die leven van methaan. Misschien gaan die wel harder groeien wanneer er meer methaan in de lucht is. Maar we weten nog niet waar we moeten zoeken naar deze methaanetende bacteriën uit de oertijd. Dit is nog een beetje een raadsel.'
Ook voor methaan willen de onderzoekers graag verder terug in de tijd kijken, en dat kan nu nog niet. Misschien wordt een opwarming in de oertijd die wij meten niet direct veroorzaakt door CO₂ maar door een toename van methaan. 'Als dat zo is, hebben we een probleem,' zegt Sinninghe Damsté. 'Er zit veel methaan in de zeebodem opgeslagen in de vorm van methaanhydraten en in de permafrost van Siberië. Dat is een tikkende tijdbom. Als dat ineens vrijkomt, zou de opwarming ineens veel sneller kunnen gaan.'
Uiteindelijk willen de onderzoekers op liefst een graad nauwkeurig de opwarming van de aarde voorspellen. 'Daarvoor hebben we zoveel mogelijk verschillende meetmethoden nodig. Als ze allemaal op hetzelfde antwoord uitkomen, dan kun je er vrij zeker van zijn dat je goed zit met je voorspelling. Wij blijven dus nieuwe paleothermometers ontwikkelen,' zegt Sinninghe Damsté.
 
Dit artikel is gepubliceerd in KIJK 9, 17 augustus 2015.

Belangrijkste punten uit dit artikel
- Meer CO₂ in de lucht zorgt voor een verhoging van de gemiddelde temperatuur op aarde. Maar hoeveel, dat weten we nog niet precies.
- Met behulp van chemische fossielen kun je de temperatuur tot miljoenen jaren terug bepalen op een paar graden nauwkeurig. Chemische fossielen zijn verbindingen uit de cellen van organismen die in de oertijd leefden. Ze vertellen ons iets over het klimaat uit die tijd.
-Daardoor weten we nu dat het Midden-Krijt een erg warme periode was met veel CO2 in de lucht. 'Aan de omstandigheden in het Midden-Krijt kunnen we aflezen wat ons misschien te wachten staat,' zegt onderzoeker Jaap Sinninghe Damsté.

Hoe werkt een paleothermometer?
In een celmembraan van een organisme (bijvoorbeeld een alg) zitten de verbindingen A2 en A3. Wanneer de alg sterft blijven deze verbindingen bewaard in het sediment op de oceaanbodem. Door middel van een chemische analyse van dat sediment kun je bepalen hoeveel A2 en A3 er precies in zit. Dat zegt iets over de temperatuur waarbij het organisme leefde. Als er meer van verbinding A2 is gevonden dan van A3, dan is de temperatuur van het water waarin het organisme leefde hoger geweest. Wordt er meer A3 gevonden, dan was het water kouder.