Estudio paleoclimático del afloramiento ecuatorial del Océano Pacífico durante los últimos 160.000 años a partir de biomarcadores moleculares
Authors:   , Quirós Collazos Lucía 
Published: July 2023

The present PhD thesis is focused on the paleoclimatic reconstruction of the Pacific Ocean equatorial upwelling conditions, east of the Galapagos Islands, over the last 160.000 years. This region is of great interest to understand climate dynamics within the context of current global change, as it plays a key role in global biogeochemical cycles, especially the carbon cycle, being one of the areas with largest CO2 fluxes from the ocean to the atmosphere. In addition, studies covering the recent decades have shown that tropical regions play a key role in regulating global climate, since they control the transfer of thermal energy from low to high latitudes.
This study is based on the analysis of molecular biomarkers in the marine sediment core ODP 1240, which was obtained during Leg 202 of the Ocean Drilling Program. The main analysed compounds were the long-chain ketones, known as C37 alkenones, the 24-methylcholesta-5,22-dien-3ß-ol, known as brassicasterol, long-chain n-alkanes, glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs) and 1,14-alkyl diols.
The UK'37 and TEXH86 indexes were obtained from the analyses of the mentioned biomarkers to assess their suitability as temperature proxies to reconstruct sea surface conditions at the eastern Pacific upwelling on a glacial-interglacial time scale. They reflect variations in the mean annual surface temperature at the study area and track the warming and cooling trends typical of glacial-interglacial variations, although with certain peculiarities associated with each proxy. The UK'37 derived record shows a special sensitivity to periods with La Niña-like seasonal conditions, when the upwelling was more intense and sea surface temperatures in this area were colder. On the other hand, the TEXH86 index shows a tendency to overestimate the cooling of surface waters during glacial periods, as it has been also observed in similar reconstructions in this and other tropical regions. This might be due to the combined influence of changes in surface temperature and in ammonium oxidation rates of the Thaumarchaeotas that synthesize GDGTs and proliferate in the upper water column.
Paleoclimatic information provided by other records nearby indicate that changes in oceanic denitrification linked to the supply of oxygen through subsurface and intermediate waters could have a regulating effect on the availability of ammonium in surface water. This, in turn, would have led to changes in the relative abundance of the GDGTs synthesized by Thaumarchaeotas, causing a glacial cooling overestimation through the TEXH86 index.
The high resolution that characterizes the ODP 1240 core has allowed gaining a more in-depth knowledge on the millennial-scale climatic variability of this region. In particular, the changes in primary production during the penultimate deglaciation have been studied. This deglaciation, known as Termination II, can be used as a laboratory to understand climate dynamics during periods of rapid global warming. The results show that phytoplankton production was enhanced by an increasing influence of nutrient-rich Southern Ocean-sourced waters and by enhanced atmospheric dust inputs, which would have served as an additional source of iron to the study region. These processes culminated during the development of the Heinrich Event 11 in the North Atlantic, at a time when the highest increase in primary productivity of Termination II was recorded in the eastern equatorial Pacific upwelling. The results of this thesis highlight the relationships between global dynamics of biogeochemical cycles and those of the eastern equatorial Pacific, as well as the role played by high to low latitude teleconnections.

La presente tesis doctoral se centra en la reconstrucción de las condiciones paleoclimáticas del afloramiento ecuatorial del Océano Pacífico, al este de las Islas Galápagos, a lo largo de los últimos 160.000 años. Esta región es de gran interés para comprender las dinámicas del clima dentro del contexto de cambio global actual. Se trata de una región que juega un papel clave en los ciclos biogeoquímicos globales, en especial el del carbono, pues es una de las zonas que presenta mayor flujo de CO2 del océano a la atmósfera, además de ejercer un papel clave en el clima global regulando la transferencia de energía térmica de las bajas a las altas latitudes. Este estudio se ha realizado a partir del análisis de biomarcadores moleculares en el testigo sedimentario ODP 1240, obtenido durante la campaña 202 del Ocean Drilling Program. Los principales compuestos analizados son las cetonas de cadena larga (alquenonas C37), el 24-metilcolesta-5,22-dien-3ß-ol (brasicasterol), n-alcanos de cadena larga, tetraéteres de glicerol dialquil glicerol (GDGTs) y alquil dioles 1,14. A partir de estos biomarcadores se han obtenido los índices UK'37 y TEXH86 y se ha evaluado su utilidad como indicadores de temperatura para reconstruir las condiciones de las aguas superficiales del afloramiento del Pacífico oriental a escala glacial-interglacial. Éstos reflejan las variaciones en la temperatura superficial media anual de la zona y registran el calentamiento y enfriamiento típicos de las variaciones glacial-interglacial, aunque con ciertos matices asociados con cada indicador. El registro derivado del UK'37 muestra sensibilidad a los períodos con unas condiciones de estacionalidad similares a las de La Niña, cuando el afloramiento fue más intenso y las temperaturas superficiales del mar en esta zona fueron más frías. Por otro lado, se ha observado que, durante los glaciales, el índice TEXH86 tiende a sobreestimar el enfriamiento de las aguas superficiales, tal y cómo se ha observado en reconstrucciones similares de ésta y otras regiones tropicales. Esto se debería a la influencia combinada de los cambios en la temperatura superficial y las variaciones en las tasas de oxidación de amonio sobre las Thaumarchaeotas que sintetizan los GDGTs y que proliferan en la parte superficial de la columna de agua. La información paleoclimática aportada por otros registros de la zona indica que los cambios en la desnitrificación oceánica vinculados al aporte de oxígeno a través de las aguas subsuperficiales e intermedias pudo tener un efecto regulador sobre la disponibilidad de amonio en superficie. Esto, a su vez, habría provocado cambios en la abundancia relativa de los GDGTs sintetizados por las Thaumarchaeotas, causando una sobreestimación del enfriamiento estimado durante los glaciales por parte del índice TEXH86. La alta resolución que caracteriza al testigo ODP 1240 ha permitido estudiar las variaciones climáticas de esta región a escala milenaria. En concreto, se han estudiado los cambios en la productividad primaria ocurridos durante la penúltima deglaciación, la Terminación II, un período que resulta interesante como laboratorio para conocer las dinámicas del clima en períodos de rápido calentamiento global. Los resultados muestran que la producción de fitoplancton se vio favorecida por la creciente influencia de aguas procedentes del Océano Austral ricas en nutrientes y por un aumento de las deposiciones de polvo atmosférico que habrían aportado hierro a la zona de estudio. Estos procesos experimentaron su mayor expresión durante el desarrollo del Evento Heinrich 11 en el Atlántico Norte, cuando en el afloramiento del Pacífico ecuatorial se registró el mayor aumento de productividad primaria de la Terminación II. Los resultados de esta tesis ponen de manifiesto la relación que existe entre las dinámicas globales de los ciclos biogeoquímicos y las del Pacífico ecuatorial oriental, y el papel el papel que juegan las teleconexiones de alta a baja latitud

La present tesi doctoral se centra en la reconstrucció de les condicions paleoclimàtiques de l'aflorament equatorial de l'Oceà Pacífic, a l'est de les Illes Galápagos, al llarg dels darrers 160.000 anys. Aquesta regió és de gran interès per comprendre les dinàmiques del clima dins el context de canvi global actual. Es tracta d'una regió que té un paper clau en els cicles biogeoquímics globals, especialment el del carboni, ja que és una de les zones que presenta un major flux de CO2 de l'oceà a l'atmosfera. A més, els estudis de les darreres dècades han anat posant de manifest que les regions tropicals exerceixen un paper clau com a reguladores del clima global, atès que regulen la transferència d'energia tèrmica de les baixes a les altes latituds.
Aquest estudi s'ha realitzat a partir de l'anàlisi de biomarcadors moleculars en el testimoni sedimentari ODP 1240, obtingut durant la campanya (del anglès, Leg) 202 del programa ODP (del anglès, Ocean Drilling Program). Els principals compostos analitzats han estat les cetones de cadena llarga denominades alquenones C37, el 24-metilcolesta-5,22-dien-3β-ol conegut com a brasicasterol, n-alcans de cadena llarga, tetraèters de glicerol dialquil glicerol (GDGTs) i alquil diols 1,14.
A partir d'aquests biomarcadors, a la primera part d'aquesta tesi s'han obtingut els índexs UK'37 i TEXH86. i se n'ha avaluat la seva utilitat com a indicadors de temperatura per reconstruir les condicions de les aigües superficials de l'aflorament del Pacífic oriental a escala glacial-interglacial. Aquests reflecteixen les variacions en la temperatura superficial mitjana anual de la zona i enregistren l'escalfament i el refredament típics de les variacions glacial-interglacial, encara que amb certs matisos associats amb cada indicador. El registre derivat de l'UK'37 mostra una sensibilitat especial als períodes on predominen condicions d'estacionalitat similars a les de La Niña, quan l'aflorament va ser més intens i les temperatures superficials del mar en aquesta zona varen ser més fredes. Per la seva banda, s'ha observat que, durant els glacials, l'índex TEXH86. té tendència a sobreestimar el refredament de les aigües superficials, tal com s'ha observat en reconstruccions semblants realitzades en aquesta i d’altres regions tropicals. Això seria degut a la influència combinada dels canvis en la temperatura superficial i de les variacions en les taxes d'oxidació d'amoni sobre les Thaumarchaeotes que sintetitzen els GDGTs i que proliferen a la part superficial de la columna d'aigua (aproximadament per sobre dels 50 m de profunditat).
La interpretació d'aquests registres dins del context paleoclimàtic dels darrers 160.000 anys és el que conforma la segona part d'aquesta tesi. La informació paleoclimàtica que aporten altres registres de la zona indica que els canvis en la desnitrificació oceànica vinculats amb l'aportació d'oxigen a través de les aigües subsuperficials i intermèdies hauria tingut un efecte regulador sobre la disponibilitat d'amoni en superfície. Això, alhora, hauria provocat canvis en l'abundància relativa dels GDGTs sintetitzats per les Thaumarchaeotes, causant una sobreestimació del refredament estimat per a les èpoques glacials per part de l'índex TEXH86
A la tercera part d’aquesta tesi, l’alta resolució que caracteritza el testimoni ODP 1240 ha permès aprofundir en l’estudi de les variacions climàtiques d’aquesta regió a escala mil·lenària. En concret s'han estudiat els canvis en la productivitat primària esdevinguts durant la penúltima deglaciació, coneguda com a Terminació II, un període menys estudiat que la Terminació I, la deglaciació més recent, i que resulta interessant com a laboratori per conèixer les dinàmiques del clima en períodes de ràpid escalfament global. Els resultats mostren que la producció de fitoplàncton es va veure afavorida per la influència creixent d'aigües procedents de l'Oceà Austral riques en nutrients i per un augment de les deposicions de pols atmosfèrica que haurien suposat una font addicional de ferro a la zona d'estudi. La major expressió d’aquests processos va tenir lloc
durant el desenvolupament de l'Esdeveniment Heinrich 11 a l'Atlàntic Nord, quan a l'aflorament del Pacífic equatorial oriental es va enregistrar el major augment de productivitat primària de la Terminació II. Els resultats d'aquesta tesi fan palesa la relació que hi ha entre les dinàmiques globals dels cicles biogeoquímics i les del Pacífic equatorial oriental, i el paper que hi juguen els vincles entre les altes i baixes latituds.