Reconstruction of atmospheric CO2 and climate of the middle Eocene based on fossil plants from the Messel Formation

Abstract

Der Einfluss von Treibhausgasen auf die Entwicklung des globalen Klimas erregt seit langem die Aufmerksamkeit von Forschern auf der ganzen Welt. Verschiedene Proxies und geochemische Modelle wurden angewandt um das Paläoklima und den paläo-Ca zu rekonstruieren. Diese liefern zum Teil widersprüchliche Ergebnisse. Da Kohlenstoffdioxid (CO2) die Grundlage der pflanzlichen Fotosynthese ist, sind Pflanzen sehr gute Klimaindikatoren und liefern aussagekräftige Informationen zu Temperatur und Ca. Bei vielen Arten sinkt mit zunehmendem Ca die Anzahl der Stomata (Poren auf der Blattoberfläche, die dem Gasaustausch dienen), was diese zu einem weiteren vielversprechenden Proxy für die Paläoklimatologie macht. In dieser Dissertation wird mit fossilem Pflanzenmaterial aus der mittleren Messelformation der Grube Messel nahe Darmstadt (Hessen, Deutschland) der Ca im mittleren Eozän rekonstruiert. Für diese Rekonstruktion wird ein neuartiger mechanistisch-theoretischer Ansatz angewandt, der die Reaktion der Stomatadichte auf den sich verändernden Ca quantitativ darstellt. Das Modell verbindet 1) den biochemischen Prozess der Fotosynthese von C3-Panzen, 2) den physikalischen Prozess der Diffusion, i. e. die Bewegung der CO2-Moleküle in das Blatt hinein und der Wassermoleküle aus dem Blatt heraus durch die geöffneten Stomata und 3) einen Optimierungsansatz, der sich mit dem Problem der Landpflanzen beschäftigt, ihre Stomata so einzustellen, dass sie maximale CO2-Aufnahme für die Fotosynthese bei minimalem Wasserverlust durch stomatäre Transpiration erreichen. Diese drei Untermodelle beinhalten auch Daten zur Paläoumwelt (Temperatur, Wasserverfügbarkeit, Windgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit), Blattanatomie und Stoma-Geometrie (wie Tiefe, Länge und Breite der Stomapore und Dicke des Assimilationsgewebes). Um Kurven für die Stomatadichte als Funktion von Ca berechnen zu können, müssen verschiedene biochemische Parameter von heute lebenden Verwandten übernommen werden. Die notwendigen Paläoklimadaten werden mittels Blattrandanalyse und Koexistenzansatz rekonstruiert. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen, werden für die Ca-Berechnungen zwei Pflanzenarten aus unterschiedlichen Familien ausgewählt. Die Berechnungen zum Paläoklima der mitteleozänen Grube Messel deuten auf ein warm-feuchtes Klima hin mit einer durchschnittlichen Jahrestemperatur um 22°C (bis ~24°C) und bis zu 2540mm durchschnittlichem Jahresniederschlag ohne ausgedehnte Trockenperioden. Die mittlere relative Luftfeuchtigkeit war mit bis zu 77% ebenfalls recht hoch. Die kombinierten Ergebnisse der beiden ausgewählten Pflanzenarten weisen auf einen atmosphärischen CO2-Gehalt zwischen etwa 700 und 840 ppm im mittleren Eozän von Messel hin.

The influence of greenhouse gases on the development of global climate has attracted the attention of scientists all over the world. Various proxies and geochemical models have been applied in order to reconstruct palaeoclimate and palaeo-Ca, partially providing conflicting results. Since carbon dioxide (CO2) is the substrate of plant photosynthesis, plants are suitable climate indicators providing accurate information about temperature and Ca. In many species, the frequency of stomata (pores on the leaf surface used for gaseous exchange) decreases with increasing Ca and, thus, stomatal frequency is another promising proxy in palaeoclimatology. In this dissertation, fossil plant material from the Middle Messel Formation excavated in the Messel Pit near Darmstadt (Hesse, Germany) is used to reconstruct Ca in the middle Eocene. For this reconstruction, a novel mechanistic-theoretical approach is applied providing a quantitative derivation of the stomatal density response to varying Ca. The model couples: 1) the biochemical process of C3-photosynthesis, 2) the physical process of diffusion describing the movement of water molecules out of and carbon dioxide molecules into the leaf through opened stomata, and 3) an optimisation principle solving the problem of land plants to adjust their stomata in such a way that they reach maximum CO2 uptake for photosynthesis at minimum water loss via stomatal transpiration. These three sub-models also include palaeoenvironmental data (temperature, water availability, wind velocity and atmospheric humidity), leaf anatomy and stoma geometry (such as depth, length and width of stomatal porus and thickness of assimilation tissue). In order to calculate curves of stomatal density as a function of Ca, various biochemical parameters have to be borrowed from extant representatives. The necessary palaeoclimate data are reconstructed using Leaf Margin Analysis and the Coexistence Approach. In order to obtain significant results, two species in different plant families are selected for Ca-calculations. Palaeoclimate calculations for the middle Eocene Messel Pit indicate a warm and humid climate with a mean annual temperature probably around 22°C (up to ~24°C), up to 2540mm mean annual precipitation and the absence of extended periods of drought. Mean relative air humidity is reconstructed as rather high too, up to 77%. The combined results of the two selected plant taxa indicate values for atmospheric CO2 between approximately 700 and 840 ppm for the middle Eocene of Messel.