The Pliocene period is the most recent time when the Earth was globally significantly (∼ 3 °C) warmer than today. However, the existing pCO2 data for the Pliocene are sparse and there is little agreement between the various techniques used to reconstruct palaeo-pCO2. This disagreement, coupled with the general low temporal resolution of the published records, does not allow a robust assessment of the role of declining pCO2 in the intensification of the Northern Hemisphere Glaciation (INHG) and a direct comparison to other proxy records are lacking. For the first time, we use a combination of foraminiferal (δ11B) and organic biomarker (alkenone-derived carbon isotopes) proxies to determine the concentration of atmospheric CO2 over the past 5 Ma. Both proxy records show that during the warm Pliocene pCO2 was between 330 and 400 ppm, i.e. similar to today. The decrease to values similar to pre-industrial times (275–285 ppm) occurred between 3.2 Ma and 2.8 Ma — coincident with the INHG and affirming the link between global climate, the cryosphere and pCO2.

Summary The 16S ribosomal DNA based distinction between the bacterial and archaeal domains of life is strongly supported by the membrane lipid composition of the two domains; Bacteria generally contain dialkyl glycerol diester lipids, whereas Archaea produce isoprenoid dialkyl glycerol diether and membrane‐spanning glycerol dialkyl glycerol tetraether (GDGT) lipids. Here we show that a new group of ecologically abundant membrane‐spanning GDGT lipids, containing branched instead of isoprenoid carbon skeletons, are of a bacterial origin. This was revealed by examining the stereochemistry of the glycerol moieties of those branched tetraether membrane lipids, which was found to be the bacterial 1,2‐di‐ O ‐alkyl‐ sn ‐glycerol stereoconfiguration and not the 2,3‐di‐ O ‐alkyl‐ sn ‐glycerol stereoconfiguration as in archaeal membrane lipids. In addition, unequivocal evidence for the presence of cyclopentyl moieties in these bacterial membrane lipids was obtained by NMR. The biochemical traits of biosynthesis of tetraether membrane lipids and the formation of cyclopentyl moieties through internal cyclization, which were thought to be specific for the archaeal lineage of descent, thus also occur in the bacterial domain of life.

A method combining normal phase high performance liquid chromatography (HPLC) with positive ion atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry (APCI-MS) was developed for the analysis of intact glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs) in archaeal cell material and sediments. All GDGTs previously reported to occur in the thermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus could be identified based on their mass spectra and retention time. Positive ion mass spectra consisted of abundant protonated molecules and fragment ions corresponding to loss of water and the glycerol moiety. In addition, two novel GDGTs representing alternative combinations of biphytanyl moieties were observed. Using this method, the tetraethers present in the thermophilic archaeon Metallosphaera sedula and two sediment samples were characterized. This rapid method will greatly contribute to the establishment of the sedimentary record of these compounds and increase our understanding of archaea and their occurrence in widely different environments. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.

It is well established that greenhouse conditions prevailed during the Cretaceous Period (~ 145–66 Ma). Determining the exact nature of the greenhouse-gas forcing, climatic warming and climate sensitivity remains, however, an active topic of research. Quantitative and qualitative geochemical and palaeontological proxies provide valuable observational constraints on Cretaceous climate. In particular, reconstructions of Cretaceous sea-surface temperatures (SSTs) have been revolutionised firstly by the recognition that clay-rich sequences can host exceptionally preserved planktonic foraminifera allowing for reliable oxygen-isotope analyses and, secondly by the development of the organic palaeothermometer TEX86, based on the distribution of marine archaeal membrane lipids. Here we provide a new compilation and synthesis of available planktonic foraminiferal δ18O (δ18Opl) and TEX86-SST proxy data for almost the entire Cretaceous Period. The compilation uses SSTs recalculated from published raw data, allowing examination of the sensitivity of each proxy to the calculation method (e.g., choice of calibration) and places all data on a common timescale. Overall, the compilation shows many similarities with trends present in individual records of Cretaceous climate change. For example, both SST proxies and benthic foraminiferal δ18O records indicate maximum warmth in the Cenomanian–Turonian interval. Our reconstruction of the evolution of latitudinal temperature gradients (low, <±30°, minus higher, >±48°, palaeolatitudes) reveals temporal changes. In the Valanginian–Aptian, the low-to-higher mid-latitudinal temperature gradient was weak (decreasing from ~ 10–17 °C in the Valanginian, to ~ 3–5 °C in the Aptian, based on TEX86-SSTs). In the Cenomanian–Santonian, reconstructed latitudinal temperature contrasts are also small relative to modern (< 14 °C, based on low-latitude TEX86 and δ18Opl SSTs minus higher latitude δ18Opl SSTs, compared with ~ 20 °C for the modern). In the mid-Campanian to end-Maastrichtian, latitudinal temperature gradients strengthened (~ 19–21 °C, based on low-latitude TEX86 and δ18Opl SSTs minus higher latitude δ18Opl SSTs), with cooling occurring at low-, middle- and higher palaeolatitude sites, implying global surface-ocean cooling and/or changes in ocean heat transport in the Late Cretaceous. These reconstructed long-term trends are resilient, regardless of the choice of proxy (TEX86 or δ18Opl) or calibration. This new Cretaceous SST synthesis provides an up-to-date target for modelling studies investigating the mechanics of extreme climates.

A reconstruction of atmospheric CO2 concentration from boron isotopes recorded in planktonic foraminifera examines climate–carbon interactions over the past tens of millions of years and confirms a strong linkage between climate and atmospheric CO2. Previous efforts to reconstruct atmospheric CO2 levels prior to the observational record from ice cores have suffered from methodological problems, but here Eleni Anagnostou et al. present a new reconstruction of Eocene atmospheric CO2 concentrations from boron isotopes stored in planktonic foraminifera that helps to plug the gap in an important period of the palaeoclimate record. Absolute values remain unclear, but were probably about 1,400 parts per million during a period of peak warmth around 52 million years ago. From then until the rise of the Antarctic Ice Sheet about 33.6 million years ago, CO2 declined by about half, confirming a strong link between climate and atmospheric CO2 concentrations. The Early Eocene Climate Optimum (EECO, which occurred about 51 to 53 million years ago)1, was the warmest interval of the past 65 million years, with mean annual surface air temperature over ten degrees Celsius warmer than during the pre-industrial period2,3,4. Subsequent global cooling in the middle and late Eocene epoch, especially at high latitudes, eventually led to continental ice sheet development in Antarctica in the early Oligocene epoch (about 33.6 million years ago). However, existing estimates place atmospheric carbon dioxide (CO2) levels during the Eocene at 500–3,000 parts per million5,6,7, and in the absence of tighter constraints carbon–climate interactions over this interval remain uncertain. Here we use recent analytical and methodological developments8,9,10,11 to generate a new high-fidelity record of CO2 concentrations using the boron isotope (δ11B) composition of well preserved planktonic foraminifera from the Tanzania Drilling Project, revising previous estimates6. Although species-level uncertainties make absolute values difficult to constrain, CO2 concentrations during the EECO were around 1,400 parts per million. The relative decline in CO2 concentration through the Eocene is more robustly constrained at about fifty per cent, with a further decline into the Oligocene12. Provided the latitudinal dependency of sea surface temperature change for a given climate forcing in the Eocene was similar to that of the late Quaternary period13, this CO2 decline was sufficient to drive the well documented high- and low-latitude cooling that occurred through the Eocene14. Once the change in global temperature between the pre-industrial period and the Eocene caused by the action of all known slow feedbacks (apart from those associated with the carbon cycle) is removed2,3,4, both the EECO and the late Eocene exhibit an equilibrium climate sensitivity relative to the pre-industrial period of 2.1 to 4.6 degrees Celsius per CO2 doubling (66 per cent confidence), which is similar to the canonical range (1.5 to 4.5 degrees Celsius15), indicating that a large fraction of the warmth of the early Eocene greenhouse was driven by increased CO2 concentrations, and that climate sensitivity was relatively constant throughout this period.

Isoprenoid glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs) and branched glycerol dialkyl diethers are main membrane constituents of cultured hyperthermophilic archaea and eubacteria, respectively, and are found in environments with temperatures >60°C. Recently, we developed a new technique for the analysis of intact core tetraether lipids in cell material and sediments. The application of this technique to recent sediments shows that known and newly identified isoprenoid and branched GDGTs are widespread in low-temperature environments (<20°C) and are structurally far more diverse than previously thought. Their distribution indicates the ubiquitous environmental presence of as yet uncultivated, nonthermophilic organisms that may have independently evolved from hyperthermophilic archaea and eubacteria. The structures of some of the new GDGTs point to the hybridization of both typical archaeal and eubacterial biosynthetic pathways in single organisms.

The carbon isotopic fractionation accompanying formation of biomass by alkenone‐producing algae in natural marine environments varies systematically with the concentration of dissolved phosphate. Specifically, if the fractionation is expressed by є P ≈ δ e − δ p , where δ e and δ p are the δ 13 C values for dissolved CO 2 and for algal biomass (determined by isotopic analysis of C 37 alkadienones), respectively, and if C e is the concentration of dissolved CO 2 , μmol kg −1 , then b = 38 + 160*[PO 4 ], where [PO 4 ] is the concentration of dissolved phosphate, μM, and b = (25 − є p ) C e . The correlation found between b and [PO 4 ] is due to effects linking nutrient levels to growth rates and cellular carbon budgets for alkenone‐containing algae, most likely by trace‐metal limitations on algal growth. The relationship reported here is characteristic of 39 samples (r 2 = 0.95) from the Santa Monica Basin (six different times during the annual cycle), the equatorial Pacific (boreal spring and fall cruises as well as during an iron‐enrichment experiment), and the Peru upwelling zone. Points representative of samples from the Sargasso Sea ([PO 4 ] ≤ 0.1 μM) fall above the b = f [PO 4 ] line. Analysis of correlations expected between μ (growth rate), є p , and C e shows that, for our entire data set, most variations in є p result from variations in μ rather than C e . Accordingly, before concentrations of dissolved CO 2 can be estimated from isotopic fractionations, some means of accounting for variations in growth rate must be found, perhaps by drawing on relationships between [PO 4 ] and Cd/Ca ratios in shells of planktonic foraminifera.

Research Article| March 01, 2007 Stable warm tropical climate through the Eocene Epoch Paul N. Pearson; Paul N. Pearson 1School of Earth, Ocean and Planetary Sciences, Cardiff University, Main Building, Park Place, Cardiff CF10 3YE, UK Search for other works by this author on: GSW Google Scholar Bart E. van Dongen; Bart E. van Dongen 2Organic Geochemistry Unit, Bristol Biogeochemistry Research Centre, School of Chemistry, University of Bristol, Cantock's Close, Bristol BS8 1TS, UK Search for other works by this author on: GSW Google Scholar Christopher J. Nicholas; Christopher J. Nicholas 3Department of Geology, Trinity College, Dublin 2, Ireland Search for other works by this author on: GSW Google Scholar Richard D. Pancost; Richard D. Pancost 4Organic Geochemistry Unit, Bristol Biogeochemistry Research Centre, School of Chemistry, University of Bristol, Cantock's Close, Bristol BS8 1TS, UK Search for other works by this author on: GSW Google Scholar Stefan Schouten; Stefan Schouten 5Netherlands Institute for Sea Research, Department of Marine Biogeochemistry & Toxicology, P.O. Box 59, Den Burg, Netherlands Search for other works by this author on: GSW Google Scholar Joyce M. Singano; Joyce M. Singano 6Tanzania Petroleum Development Corporation, P.O. Box 2774, Dares-Salaam, Tanzania Search for other works by this author on: GSW Google Scholar Bridget S. Wade Bridget S. Wade 7Institute of Marine and Coastal Science, Rutgers University, 71 Dudley Road, New Brunswick, New Jersey 08901-8521, USA Search for other works by this author on: GSW Google Scholar Author and Article Information Paul N. Pearson 1School of Earth, Ocean and Planetary Sciences, Cardiff University, Main Building, Park Place, Cardiff CF10 3YE, UK Bart E. van Dongen 2Organic Geochemistry Unit, Bristol Biogeochemistry Research Centre, School of Chemistry, University of Bristol, Cantock's Close, Bristol BS8 1TS, UK Christopher J. Nicholas 3Department of Geology, Trinity College, Dublin 2, Ireland Richard D. Pancost 4Organic Geochemistry Unit, Bristol Biogeochemistry Research Centre, School of Chemistry, University of Bristol, Cantock's Close, Bristol BS8 1TS, UK Stefan Schouten 5Netherlands Institute for Sea Research, Department of Marine Biogeochemistry & Toxicology, P.O. Box 59, Den Burg, Netherlands Joyce M. Singano 6Tanzania Petroleum Development Corporation, P.O. Box 2774, Dares-Salaam, Tanzania Bridget S. Wade 7Institute of Marine and Coastal Science, Rutgers University, 71 Dudley Road, New Brunswick, New Jersey 08901-8521, USA Publisher: Geological Society of America Received: 10 Jul 2006 Revision Received: 09 Oct 2006 Accepted: 12 Oct 2006 First Online: 09 Mar 2017 Online ISSN: 1943-2682 Print ISSN: 0091-7613 Geological Society of America Geology (2007) 35 (3): 211–214. https://doi.org/10.1130/G23175A.1 Article history Received: 10 Jul 2006 Revision Received: 09 Oct 2006 Accepted: 12 Oct 2006 First Online: 09 Mar 2017 Cite View This Citation Add to Citation Manager Share Icon Share Facebook Twitter LinkedIn MailTo Tools Icon Tools Get Permissions Search Site Citation Paul N. Pearson, Bart E. van Dongen, Christopher J. Nicholas, Richard D. Pancost, Stefan Schouten, Joyce M. Singano, Bridget S. Wade; Stable warm tropical climate through the Eocene Epoch. Geology 2007;; 35 (3): 211–214. doi: https://doi.org/10.1130/G23175A.1 Download citation file: Ris (Zotero) Refmanager EasyBib Bookends Mendeley Papers EndNote RefWorks BibTex toolbar search Search Dropdown Menu toolbar search search input Search input auto suggest filter your search All ContentBy SocietyGeology Search Advanced Search Abstract Earth's climate cooled from a period of extreme warmth in the early Eocene Epoch (ca. 50 Ma) to the early Oligocene (ca. 33 Ma), when a large ice cap first appeared on Antarctica. Evidence from the planktonic foraminifer oxygen isotope record in deep-sea cores has suggested that tropical sea-surface temperatures declined by 5-10 degrees over this interval, eventually becoming much cooler than modern temperatures. Here we present paleotemperature estimates from foraminifer isotopes and the membrane lipids of marine Crenarcheota from new drill cores in Tanzania that indicate a warm and generally stable tropical climate over this period. We reinterpret the previously published isotope records in the light of comparative textural analysis of the deep-sea foraminifer shells, which shows that in contrast to the Tanzanian material, they have been diagenetically recrystallized. We suggest that increasingly severe alteration of the deep-sea plankton shells through the Eocene produced a diagenetic overprint on their oxygen isotope ratios that imparts the false appearance of a tropical sea-surface cooling trend. This implies that the long-term Eocene climatic cooling trend occurred mainly at the poles and had little effect at lower latitudes. You do not have access to this content, please speak to your institutional administrator if you feel you should have access.

Theory and climate modelling suggest that the sensitivity of Earth’s climate to changes in radiative forcing could depend on the background climate. However, palaeoclimate data have thus far been insufficient to provide a conclusive test of this prediction. Here we present atmospheric carbon dioxide (CO2) reconstructions based on multi-site boron-isotope records from the late Pliocene epoch (3.3 to 2.3 million years ago). We find that Earth’s climate sensitivity to CO2-based radiative forcing (Earth system sensitivity) was half as strong during the warm Pliocene as during the cold late Pleistocene epoch (0.8 to 0.01 million years ago). We attribute this difference to the radiative impacts of continental ice-volume changes (the ice–albedo feedback) during the late Pleistocene, because equilibrium climate sensitivity is identical for the two intervals when we account for such impacts using sea-level reconstructions. We conclude that, on a global scale, no unexpected climate feedbacks operated during the warm Pliocene, and that predictions of equilibrium climate sensitivity (excluding long-term ice-albedo feedbacks) for our Pliocene-like future (with CO2 levels up to maximum Pliocene levels of 450 parts per million) are well described by the currently accepted range of an increase of 1.5 K to 4.5 K per doubling of CO2. A new record of Pliocene carbon dioxide variations derived from boron isotopes shows that climate sensitivity (the change in global mean temperature in response to radiative forcing) during the Plio-Pleistocene does not vary when cycles in continental ice are taken into account; this suggests that current estimates can be used to predict future climate. Climate sensitivity — the change in global mean temperature in response to a given change in radiative forcing — is one of the main uncertainties in our understanding of past and future climate change. Some work, for example, has suggested that climate sensitivity may vary depending on the mean climate state itself. But to date, the lack of high-resolution records of atmospheric CO2 records for times predating what is covered by the Pleistocene ice cores has precluded an assessment of climate sensitivity for warm periods like the Pliocene. Miguel Martinez-Boti et al. present a new record of Pliocene CO2 variations derived from deep-ocean sediment boron isotope data and show that — when the presence of large ice sheets in the Pleistocene is taken into account — climate sensitivity does not vary, suggesting that current estimates are appropriate for projections of future climate.