De archeologie van de biologie. Inhoud: Inleiding Palynologie Biologisch archief Datering Dendrochronologie Wiggle Matching Klimaatreconstructie Vragen Docenten handleiding   Inleiding De laatste veertig jaar is de temperatuur in verschillende delen van de wereld significant gestegen. Over het algemeen wordt deze temperatuursstijging toegeschreven aan het broeikaseffect. In de politiek worden er vele discussies gevoerd om deze temperatuursstijging tegen te gaan door de uitstoot van CO2 te verminderen. Er wordt hier dus uitgegaan van een onnatuurlijke temperatuursstijging. Om te weten wat een natuurlijke of onnatuurlijke ontwikkeling is, zal er informatie uit het verleden nodig zijn. De vraag is nu: Hoe komen we aan klimaatsinformatie uit de tijd dat er geen thermometers waren? Gelukkig zegt vegetatie indirect iets over de omgevingsfactoren en zo ook over de temperatuur en de neerslag. Denk maar aan het verschil tussen de vegetatie in de gematigde gebieden en de woestijn of het tropisch regenwoud. Maar als het klimaat verandert, verandert ook de vegetatie, dus de vegetatie van nu op een bepaalde plaats is niet constant gebleven. Nu zijn er biologen, die net als archeologen, in de grond graven en op zoek gaan naar fossiel materiaal. Deze paleo-palynologen  bekijken geen potscherven of resten van behuizing, maar onderzoeken fossiel stuifmeel en oude plantenresten, die in de bodem bewaard zijn gebleven.   Palynologie Stuifmeelkorrels (pollen) zijn mannelijke voortplantingscellen van Hogere Planten. Ze voldoen aan hun eigenlijke functie als ze, na transport door insecten of de wind, terecht komen op de stempel van de stamper van een bloem van dezelfde soort. Vanuit de stuifmeelkorrel groeit de pollenbuis naar een eicel in het vruchtbeginsel en na bevruchting kan zich een zaad vormen dat kan uitgroeien tot een nieuwe plant (of ingebed raken in het sediment). Gelukkig voor de (paleo-(=oud))palynoloog komt stuifmeel vaak niet op de bestemde plaats terecht. Vooral anemofiele planten (stuifmeel wordt door de wind vervoerd) produceren zeer veel stuifmeel dat grotendeels als “pollenregen” neerdaalt op bodems, in meren en moerassen. Het stuifmeel van entomofiele planten (insecten zorgen voor het vervoer van planten) wordt tamelijk efficiënt vervoerd; er wordt ook veel minder pollen geproduceerd door entomofiele planten. Toch komt dat pollen voor een deel ook niet op de bestemde plaats aan. De wanden van stuifmeelkorrels zijn uiterst resistent. Ze zijn opgebouwd uit sporopollenine, een zeer afbraakbestendig biopolymeer. Omdat de inhoud van de levende stuifmeelkorrel naar buiten moet kunnen treden zijn er dunne plekken in de pollenwand. Deze dunne plekken noemen ze colpen en poren. Dit patroon van colpen en poren is voor elke soort plant verschillend en geeft een verschillende morfologie. Hierdoor is determinatie van de stuifmeelkorrels mogelijk (figuur 1) en kan op de familienaam de soort herkend worden.   Figuur 1. Foto van pollen, gemaakt met een electronenmicroscoop.   Het biologisch archief In venen en meren is de ecologie zo, dat er steeds een nieuwe laagje boven het oude komt. In venen komt dit doordat de veenmossen alleen naar boven groeien. In meren wordt er periodiek sediment op de bodem afgezet; bijvoorbeeld organisch materiaal in de winter. Hoe dieper je dus in de grond boord, hoe langer geleden dat aan het oppervlakte is geweest. De constante pollenregen is dus bewaard in laagjes, waarbij de oudste pollen dieper liggen. Een palynoloog, die onderzoek wil doen naar het verleden van een bepaald gebied kan een diepe kern uitsteken uit de bodem en op verschillende dieptes het pollen tellen en determineren. De verschillende aandelen van pollen van verschillende soorten geven een beeld van de vegetatie op dat moment. De referentie met het aandeel pollen en de vegetatie is gemaakt door de pollenregen van de tegenwoordige situatie te onderzoeken. Zo kunnen in de gematigde gebieden bossen, graslanden, akkers enzovoorts herkend worden. De link met het klimaat kan zo ook onderzocht worden. Zo was Nederland in de voorlaatste ijstijd tot de HUN-lijn (lijn tussen Haarlem, Utrecht en Nijmegen) met ijs bedekt en daardoor een deel van de Noordpool met in het zuiden van Nederland een poolwoestijn. Toen het warmer werd, kwamen de plantensoorten vanuit het zuiden Nederland binnen en werd het een steppe. Toen kwamen de naaldbomen en daarna de loofbomen.   Datering Stel dat een onderzoeker een kern heeft uitgegraven en om de vijf centimeter een submonster heeft genomen om daarin de pollen te tellen. Hoe weet hij dan hoe ver hij in de tijd terug gaat. Is vijf centimeter 50 jaar terug? of 100? of 500? En is elke centimeter in de kern dezelfde hoeveelheid tijd? Om daar achter te komen kunnen de monsters gedateerd worden. Een veel gebruikt datering methode is de koolstof-14 datering. Deze radiometrische ouderdomsbepaling is gebaseerd op radioactief verval in organisch materiaal. In dit geval van koolstof is het dominante isotoop 12C. Daarnaast komen 13C  en 14C als isotopen voor. 14C is een onstabiel isotoop, met andere woorden het vervalt, en daarbij word 14N gevormd en b-straling (elektronen) uitgezonden: 14C >>> 14N + b Zeer belangrijk is het verschijnsel dat 14C, net als de overige radioactieve isotopen, vervalt met een voor het betreffende isotoop bekende, constante snelheid. Omdat de vervaltijd meetbaar is kunnen onstabiele isotopen beschouwd worden als natuurlijke archeologische of geologische klokken. De klok begint te lopen zodra het verval van isotopen start. De ouderdom kan gerekend worden door te meten hoever het proces van isotoop verval verlopen is. Daarmee meet men de radioactiviteit die nog over is. De snelheid waarmee het radioactieve isotoop verdwijnt wordt meestal uitgedrukt in de zogenaamde halveringstijd. Voor de 14C bedraagt deze 5730 ±40 jaar. Na 50.000 jaar is de radioactiviteit zo sterk afgenomen dat een ouderdomsbepaling van oudere monster met de 14C-methode nauwelijks meer mogelijk is. 14C wordt gevormd in de hogere atmosfeer, waarbij de kosmische straling botst met stikstof: 14N + 1n >>> 14C + 1H De gevormde 14C wordt snel omgezet tot CO2, die vervolgens weer vast gelegd kan worden door planten in de fotosynthese en via het voedsel ook door dieren. Zodra die sterven wordt het 14C-gehalte niet meer aangevuld terwijl het proces van verval tot stikstof wel verder verloopt. In de submonsters kan dan dit gehalte van 14C gemeten worden en daardoor de ouderdom van dat monster bepaald worden.   Dendrochronologie De 14C-methode is niet de enige, maar wel de meest gebruikte. Een andere methode is om hout te gebruiken, dat soms in het monster zit. Zoals misschien al bekend is, maakt hout ringen. Die ringen komen door periodieke groei; in de winter stop de groei en in het voorjaar start de vorming van een nieuwe jaarring, waardoor de ouderdom bepaald kan worden door het tellen van het aantal ringen. Afhankelijk van de weersgesteldheid (gunstig of minder gunstig) zijn de jaarringen ongelijk van dikte. Bomen in een bepaald gebied lijken wat hun jaarringpatroon betreft sterk op elkaar. Voor al Eiken blijken bruikbaar voor correlatie (vergelijking). Bij het uitvoeren van dendrochronologische dateringen maakt men gebruik van karakteristieke opeenvolgingen in de jaarringpatronen. Aldus kan de overlap in jaarringen van hout uit oude gebouwen gekoppeld worden aan jaarringen van juist gekapte bomen. Men zoekt de overlap in ouderdom en komt zo verder terug in de tijd. Daarbij wordt ook gebruik gemaakt van opgegraven en opgebaggerde stammen. Op die wijze heeft men voor een zeer groot deel van het Holoceen (de periode van de laatste ca. 11.000 kalenderjaren) een ‘mastercurve’ (overzicht van jaarringen, die algemeen gebruikt wordt.) voor N.W. Europa gemaakt. Men beschikt ook over een zwevende curve voor een deel van het Laat-Glaciaal. Een losse houtvondst van ongekende Holocene ouderdom is, als die genoeg jaarringen omvat, in te passen in de curve. Dendrochronologie blijkt vooral in de archeologie toepasbaar, maar in principe ook in de Kwartair-geologie.   Wiggle Matching Behalve dat met dendrochronologisch onderzoek direct kan worden gedateerd heeft men ook de natuurlijke fluctuaties in 14C-gehalte van de atmosfeer in het verleden kunnen onderzoeken (figuur 2).  Deze fluctuaties zijn terug te vinden door vele jaarringen van bekende leeftijd op 14C-gehalte te onderzoeken. De natuurlijke fluctuaties in 14C-gehalte wordt veroorzaakt door verschillen in de zonneactiviteit en aardmagnetisme. Door deze fluctuaties wordt het bepalen van het kalenderleeftijd moeilijker, want dat betekent dat een bepaalde waarde van 14C vaker in het verleden is voorgekomen. Hierdoor wordt precieze datering onmogelijk. Om dit op te lossen moest er een reconstructie gemaakt worden van alle 14C-gehaltes in het verleden. Als er dan een monster genomen is en daarvan de ouderdom bepaald moet worden, dan kunnen er van meerdere dieptes het 14C-gehalte bepaald worden en zo een klein deel van de curve nagemaakt worden. Dat kleine stukje kan dan gepast worden in de grote mastercurve, die dezelfde fluctuaties vertoont. Dit inpassen kan vaak maar op één deel van de curve, waarmee de tijd nauwkeurig bepaald kan worden. Het namaken en inpassen van een klein stukje van de calibratiecurve van het monster in de mastercurve heet 14C-Wiggle Match Dating.

Figuur2. Een voorbeeld van een stuk mastercurve waar op de x-as de jaren van de jaarringen van de bomen staan (de eigenlijke tijdas), en op de linker y-as de 14C-gehalte, en op de rechter y-as de tijd uitgerekend uit de halveringstijd; de 14C-jaren. Naast de 14C datering methode en dendrochronologie zijn er nog vele andere dateringsmethoden, die allen voor een bepaald soort monster geschikt zijn. Elke methode heeft namelijk toepassing op een bepaalde tijdrange in het verleden en het materiaal dat in het monster beschikbaar is. Ook zijn sommige dateringsmethoden minder precies dan de ander, dus als een wetenschapper zijn onderzoek wil dateren moet hij goed in de gaten hebben wat er voor hem het beste is.   Klimaatreconstructie Onderzoek naar het klimaat in het verleden is vooral gebaseerd op technieken zoals pollenanalyse, onderzoek aan fossiele insecten, onderzoek naar waterstand in meren en dendroklimatologie. Voor het Laat-Holoceen is het mogelijk om daarnaast ook historisch bronnenonderzoek te doen naar klimaatsveranderingen. De beste en langste historisch records komen van Egypte, China en NW-Europa. De klimatoloog Lamb heeft met zijn team voor W-Europa via archiefonderzoek een vrij gedetailleerde klimaatsreconstructie gemaakt voor de periode van de laatste 1000 jaar. Opmerkelijke klimatologische ontwikkelingen die gereconstrueerd konden worden zijn het middeleeuwse klimaatsoptimum van 1000-1200 AD en de Kleine IJstijd (1590-1700 AD). Het verschil tussen beide perioden was ongeveer 1,5 graad Celsius, wat erg weinig is vergeleken met een echte ijstijd (glaciaal) en warme periode (interglaciaal), want daar verschilt de temperatuur 10 graden. Toch hadden de in de historische tijd plaatsvindende klimaatsveranderingen ingrijpende gevolgen. De schilderijen uit de periode van de Kleine IJstijd bijvoorbeeld zijn voornamelijk van winterse landschappen. Dit was niet omdat ze dat opeens zo mooi vonden, maar omdat in die periode het elke winter erg koud was. Maar ook de economisch waren de gevolgen groot. Uit historische bronnen (zoals inscripties, kronieken, dagboeken etc) met informatie over productie in de landbouw bleek dat er soms sprake was van hongersnoden vanwege mislukte landbouwoogsten. Vooral gebieden in de buurt van de landbouw noordgrens waren kwetsbaar. Daarentegen waren er in de warme perioden wijngaarden in de zuidelijke Nederlanden en Z-Engeland! (De 18°C juli-isotherm valt samen met de noordgrens van het gebied waar wijnbouw mogelijk is). Maar ook bewoning zegt iets over het klimaat, want dit zegt vaak ook iets over voedselproductie. Tijdens datzelfde klimaatsoptimum vestigden Scandinaviërs zich op Groenland; tijdens de Klein IJstijd konden zij zich daar niet meer handhaven. In die koude periode gingen de IJslanders over van het vooral verbouwen van tarwe naar een schapenteelteconomie. Door al deze informatie zijn ze gekomen tot een zeer gedetailleerde klimaat reconstructie. De temperatuursveranderingen van nu kunnen we dus in een groter perspectief zien. De temperatuur is nu nog niet zo hoog als tijdens de klimaatsoptimum in de middeleeuwen, maar het lijkt er op dat het wel die richting opgaat. Het probleem van de klimaatsverandering is de stijgende zeespiegel. In de middeleeuwen was Nederland nog niet zo dicht bevolkt en was het stijgende water niet zo groot probleem. Nu worden er echter veel mensen bedreigd als het water maar blijft stijgen. Wat de toekomst van ons klimaat is zal niemand kunnen vertellen. Het kan hier subtropisch worden, maar het kan ook dat er een nieuwe ijstijd aankomt. Dus wie zal het zeggen? Of het broeikaseffect hiermee te maken heeft is ook nog niet duidelijk. Wel is bekend dat de uitstoot van CO2 verminderd moet worden, al is het enkel om op de energie te bezuinigen.   Vragen Wat is palynologie? Welke isotopenverhouding wordt er gebruikt om te kalibreren met Wiggle Matching? Van welk materiaal is deze isotopenverhouding bepaald? Leg uit. a. Wat is dendrochronologie (hoe werkt het en hoe wordt het toegepast)? b. Wat is de waarde van de dendrochronologie voor het naar werkelijke ouderdom kalibreren van 14C-data? Geef behalve een uitleg in woorden ook een schets met twee tijd-assen waarin je een en ander verduidelijkt. Leg uit hoe we via de analyse van fossiel stuifmeel een indruk kunnen krijgen van de klimaatsveranderingen van de afgelopen ca.10.000 jaar. a. Welke opmerkelijke klimaatsveranderingen zijn er de laatste 1000 jaar geweest? Hoe zijn ze daar achter gekomen? Discussievraag: Denk je dat de temperatuursstijging van nu het gevolg is van de uitstoot van CO2 gassen? Waarom wel/niet?   Docenten handleiding Inleiding Antwoorden Extra vragen   Beste Docent, Dit is een introductie tekst over hoe palynologen aan het werk gaan. De tekst begint met het onderzoeks voorwerp, de pollen en dat ze daarmee de ecologie kunnen onderzoeken in het verleden en vooral over het dateren van de monsters en uiteindelijk over de toepassing van klimaat reconstructie. Deze tak van de biologie is nu heel actueel omdat hiermee de invloeden van de mensen op het klimaat onderzocht worden. Dit is een tekst voor leerlingen voor de vijfde en zesde klas VWO. De tekst is vooral voor leerlingen met een scheikunde en natuurkunde interesse, omdat het deel over datering erg technisch is. Vraag 6 is een erg open discussie vraag, waarbij of het onderzoek onder de loep genomen kan worden of de rol van de mensen in de actuele temperatuur stijging.   Hieronder volgen de antwoorden van de vragen, daarna zijn nog enkele vragen opgenomen om 2 weken later af te nemen om te zien wat er is blijven hangen van de informatie (eventuele repetitievragen).   Antwoorden Onderzoek naar pollen (stuifmeel) 14C en 12C verhouding (14C--->12C) organisch materiaal, omdat zij atmosferisch 14C hebben opgenomen tijdens hun leven na hun dood de biologisch klok is gaan tikken. a.dendrochronologie is de tijd bepalen door middel van jaarringen in bomen uit hetzelfde gebied. Doordat de ringen verschillen in dikte (door weersomstandigheden) kunnen steeds oudere stukken hout over jongere stukken gepast worden door overlap in jaarringpatroon en zo verder terug in de tijd te gaan. Door een mastercurve kunnen houtvondsten (mits met genoeg jaarringen) ingepast worden en zo de afkomst in tijd bepaald worden. b. door een zeer precieze aanduiding in tijd, konden monsters van jaarringen de precieze 14C gehalte bepaald worden van dat jaar. Zo konden ze de fluctuaties in 14C gehaltes reconstrueren en een mastercurve maken. Daardoor kon een precieze datering van 14C gegeven worden. Een reproductie van Figuur 3 is de bedoelde tekening. Door een kern te steken in een gebied waar laag over laag de bodem is afgezet. Van de kern zijn om de zoveel centimeter submonstertjes genomen waarvan de pollen gedetermineerd en geteld zijn. Door die aantallen te vergelijken met aantallen pollen in tegenwoordige vegetaties, kan er een reconstructie gemaakt worden van de vegetatie toen en het bijbehorende klimaat. a. Middeleeuwse klimaatsoptimum en Kleine IJstijd. b. Voornamelijk door historisch bronnenonderzoek in schilderijen, dagboeken, kronieken etc. Het doel van de discussie kan gaan over het verschil in een trend of toeval. Het kritisch kijken naar conclusies; is de toename van temperatuur gecorreleerd aan de toename in CO2? Als het niet zo blijkt te zijn, moeten we dan door blijven verbranden van fossiele brandstoffen? Welke oplossingen zijn er te vinden om het klimaat te veranderen? Wordt de wereld een ‘Waterworld’ (film met Kevin Kostner)? Extra vragen: Waaraan doet de palynoloog onderzoek? Waarvoor wordt de palynologie gebruikt? Noem twee dateringsmethoden. Wat is een biologisch archief?