IMG 5456 toppbilde

Mendels erter og en firkant i et hav av CO2

Store datamengder krever nye verktøy. For å finne ut hvor mye CO2 Atlanterhavet vil ta opp i fremtiden, tar forskerne frem et gammelt. Arven etter munken Mendel.

På en dataskjerm i Bergen ser Nadine Goris Nord-Atlanteren sluke CO2. Tvers over gaten utvikler Klaus Johannsen metoder for å analysere store datasett. I en klosterhage i Østerrike gikk Gregor Mendel og krysset erter.

Det er i Mendels ertehage alle tre kan møtes.

Nadines firkant

Nadine Goris leter etter en region. Et område definert av hjørner – en firkant på kartet over Atlanterhavet. Det hun finner akkurat der, skal gjøre beregningene av fremtidens CO2-opptak sikrere.

Som forsker ved Bjerknessenteret og forskningsselskapet NORCE, studerer hun hvordan havet frakter unna CO2 fra atmosfæren. Nord-Atlanteren et godt sted å begynne, ikke for å lete etter firkanten, men for å forstå hvorfor hun vil finne den.

Nadine Goris Foto Louise Simpson
Nadine Goris forsker på havkjemi ved Bjerknessenteret og NORCE. Foto: Louise Simpson

CO2 følger havstrømmene

Nord-Atlanteren sluker CO2. I nord tar kaldt vann opp CO2 fra luften, enten direkte i vannet eller gjennom alger som lever der. Karbonrikt vann og døde organismer synker fra overflaten og nedover i dypet.

Der nede følger vann og karbon havstrømmene sørover og videre gjennom verdenshavene. Det kan ta hundrevis av år før de samme molekylene kommer opp igjen i Sørishavet eller Stillehavet.

I vannet antar CO2 andre former enn den drivhusgassen det var i atmosfæren, men for denne historien spiller ikke det noen rolle. Karbon fra det som var CO2, fraktes bort med vannet, og når det en gang slippes ut til atmosfæren, vil det igjen være som gassen CO2. For enkelhets skyld kan vi kalle det CO2 også mens det er i havet.

Det som virkelig betyr noe, er at det synkende vannet i områder som Nord-Atlanteren tar unna CO2 fra luften. Uten havets CO2-opptak ville utslippene våre få enda større konsekvenser enn de gjør.

Havet forsinker global oppvarming

Slik har det vært, og slik er det nå. Men hva vil skje i fremtiden? Vil Nord-Atlanteren sluke en like stor andel CO2 når CO2-konsentrasjonen i atmosfæren stiger? Vil havet klare å holde tritt med oss?

Nadine Goris får svar fra klimamodeller. For mange svar. Noen modeller viser at havets CO2-opptak vil opprettholdes, andre at havet vil ta opp mindre CO2 i fremtiden. Hvordan kan hun da vite hva som er riktig?

Det er der firkanten i Atlanterhavet kommer inn. Et område i sjøen, og erteblomstene i Gregor Mendels klosterhage.

Mendels erter

Gregor Mendel var 21 år da han i 1843 ble augustinermunk, i det som da var Brünn i Østerrike og nå er Brno i Tsjekkia. Mellom 1856 og 1863 drev han omfattende forsøk med erteplanter i klosterets hage.

Med en pensel hentet han pollen fra én plante og strøk det over arret til en annen. Slik krysset han planter med ulike egenskaper for å se hvordan avkommet deres ble seende ut. Lilla blomster og hvite blomster, gule erter og grønne erter, runde erter og ovale erter, glatte erter og rynkete erter, lave erteplanter og høye erteplanter. Mendel krysset og noterte.

Mest kjent er kanskje Mendels oppdagelse av at egenskaper kan hoppe over en generasjon. For eksempel kunne han krysse foreldreplanter med gule og grønne erter og blant barna bare få grønne erter. I neste generasjon, blant barnebarna, kunne de gule ertene dukke opp igjen.

Avkommene ble enten gule eller grønne, aldri en gulgrønn mellomting av foreldrene sine. Av det sluttet Mendel at plantene måtte ha spesielle arvefaktorer, som senere er blitt kalt gener. Barna arver noen egenskaper fra moren og andre fra faren. Til hvert gen får avkommet én del fra hver av foreldrene sine.

I utgangspunktet har avkommet like stor sannsynlighet for å arve en hvilken som helst egenskap fra hver av foreldrene. Noen egenskaper dominerer imidlertid over andre, slik majoriteten av Mendels erter ble grønne i stedet for gule.

Hos mennesker og andre kompliserte skapninger kan en egenskap være knyttet til mange gener, men i denne firkanthistorien kan vi nøye oss med Mendels enkleste erter.

Hver forelder har et sett av gener som beskriver et trekk eller en egenskap. For hvert gen i settet arver avkommet en del fra hver forelder. Det er dette som er det viktige for firkanten Nadine Goris søker etter i Nord-Atlanteren og for hjelpen hun får til å finne den.

IMG 5456 toppbilde
Genetiske algoritmer, som brukes til å analysere store datamengder, bygger på prinsipper fra genetiske krysningsskjema – som dem Gregor Mendel opprinnelig utviklet for erter i siste halvdel av 1800-tallet. Bildet viser sukkerertblomster. Illustrasjonsfoto: Anne E. Bjune

Erter blir «big data»

Klaus Johannsen er sjefsforsker ved NORCE’ avdeling for teknologi. Han forsker på kunstig intelligens og analyser av store datamengder, metoder som kan brukes til å finne en nål i en høystakk. Nå skal han finne en firkant i havet.

Verktøyet hans er en arv etter Mendel: genetiske algoritmer. Teknikken gjør det mulig å finne løsninger på problemer det ellers ville ta årevis å løse.

Blant utallige alternativer søker de genetiske algoritmene frem de best tenkelige, de som ligger nærmest den optimale løsningen. Idéen har eksistert siden 1950-tallet, men sterkere og sterkere datamaskiner gjør det mulig å anvende den på stadig større datasett.

Genetiske algoritmer er matematikk og informatikk med begreper som gener, kromosomer, mutasjoner og naturlig utvelgelse. Det er en form for maskinlæring der individer krysses som Mendels erteplanter, der barn arver egenskaper fra foreldrene sine, der mutasjoner kan endre arvemateriale og der noen individer har større sjanse for å reprodusere seg enn andre.

Klaus Johannsen Foto Marit Hommedal NORCE edit
Klaus Johannsen, sjefsforsker ved NORCE Teknologi utvikler metoder for å analysere stordata. Foto: Marit Hommedal

Atlanterhavets firkant krysses frem

Området Nadine Goris og Klaus Johannsen søker etter i Atlanterhavets dyp, er et slikt individ. Strengt tatt er det mer enn en firkant. Det er ikke en flate, men ligger nede i sjøen og strekker seg over et ukjent dyp, som et rektangulært bur eller en boks av vann.

Mens menneskets genom består av 30 000 gener, har firkantboksens genom bare seks: de geografiske koordinatene til hvert av områdets hjørner samt dybden den begynner og slutter ved.

Befolkningen består av alle tenkelige områder i Atlanterhavet, hver firkant som teoretisk sett kan tegnes på kartet og hvert dyp den kan spenne over. Når to slike boksregioner parer seg med hverandre, arver avkommet hjørner fra foreldrene og blir en ny, paringsklar region.

Utvelgelsen er ikke tilfeldig. Noen individer har større sjanse for å få reprodusert hjørnegenene sine. Også blant firkantene råder konkurransen. Som i dyrenes og plantenes verden gjelder «survival of the fittest».

Darwin bryter inn; dette er ikke Mendel. Ofte blir «survival of the fittest» oversatt med de sterkestes overlevelse, men de som er «fittest» kan også være de sprekeste, vakreste, kjekkeste eller kanskje mer korrekt, de best tilpassede eller best egnede. Det handler ikke om selv å overleve, men om å få spredd genene sine gjennom barn og barnebarn.

Slik sett er disse individene de mest vellykkede, så la oss kalle dem det – vellykkede. De mest vellykkede regionene har størst sannsynlighet for å få videreført hjørnene sine.

Vellykkede regioner? Vi må tilbake til Atlanterhavets CO2-opptak.

Firkant i havet Andreas Hadsel Opsvik 1000x800
Forskerne leter et område i havet, definert ved fire hjørner, et toppnivå og et bunnivå. Ill.: Andreas Hadsel Opsvik, Bjerknessenteret/UiB

Modeller som har rett i dag, kan ta feil om fremtiden

For Nadine Goris handler det å finne ut om Nord-Atlanteren vil beholde sin appetitt på CO2. Klimamodellene er ikke enige, og hun vil vite om hun kan stole mer på noen modeller enn på de andre.

Hun kunne skille dem ved å sammenligne modellenes fremstilling av CO2-opptaket frem til i dag. Modeller som gjenskaper verden slik den er nå, vil sannsynligvis også beskrive fremtidens klode best.

Det er bare ett problem. Ingen modeller skiller seg ut, alle treffer ganske godt. CO2-opptaket i dagens Atlanterhav er som observert. Like fullt er modellene uenige om fremtiden. Svært uenige.

Det tyder på at noen modeller får riktig historisk resultat av feil grunn.

Riktige beregninger krever riktig transport av CO2

Om det eneste Nord-Atlanteren gjorde var å ta til seg CO2, ville vannet raskt bli mettet. At dette havområdet er et CO2-sluk, skyldes at det også får CO2 unna, bort fra overflaten. Og der skiller modellene seg fra hverandre, også i dag.

Et virkelig riktig svar krever at CO2 synker og følger strømmen sørover gjennom dypet av Atlanterhavet, til de samme molekylene kommer til overflaten i et annet hav om hundrevis av år.

Så langt har menneskeskapt CO2 ennå ikke kommet. Men det har nådd regionen Nadine Goris vil finne. Målet på vellykkethet, tilsynelatende abstrakt, representerer modellenes transport av menneskeskapt CO2.

I Atlanterhavets mest vellykkede firkant er rangeringen av klimamodellenes CO2-innhold den samme i dag som i fremtiden. Modeller med lite CO2 i vannet nå har lite i fremtiden. Mye nå – mye i fremtiden. Riktig i dag – riktig om hundre år.

Riktig CO2-transport – akkurat dit.

Det er dette som skal skille denne regionen fra alle andre firkanter det er mulig å tegne på kartet over Nord-Atlanteren. Det er dette de vet om den, ikke hvor den geografisk ligger. Survival of the fittest skal føre dem dit. De mest vellykkede firkantene har størst sjanse til å finne en firkantpartner og få reprodusert hjørnegenene sine

Firkantenes siste dans

Klaus Johannsens algoritmer har blandet gener. Tusen firkanter i alle størrelser har svingt seg på Nord-Atlanterens dansegulv, de har falt for hverandre og fått avkom med nye gener – fire hjørner og to dybdenivåer, noen fra mor og noen fra far, ispedd en og annen tilfeldig mutasjon.

Avkom har møtt andre avkom og fått egne avkom. For hver generasjon er befolkningen blitt mer veltilpasset, mer overlevelsesdyktig og bedre egnet. Mer vellykket.

Firkantene har flyttet seg nærmere og nærmere det optimale området for å rangere klimamodellenes CO2-transport. De har konvergert til én:

Atlanterhavets mest vellykkede firkant.

Den ligger mellom 700 og 4600 meters dyp i et område der vannet strømmer sørover i det vestlige Atlanterhavet, omtrent under Golfstrømmen. Dit har noen modeller rukket å transportere mye menneskeskapt CO2, andre lite.

Dette er CO2 som er sluppet ut siden 1850 og som har drevet med undervannsstrømmen i 160 år etter at vannet sank i CO2-sluket lengre nord i Atlanterhavet.

Klimamodeller som har lyktes i å frakte like mye CO2 akkurat dit som det finnes der nå, representerer opptaket av CO2 i Nord-Atlanteren riktigst – ikke bare med riktig svar, men på riktig måte. Derfor er disse modellene sannsynligvis best egnet til å svare på hvor høyt opptaket vil være i fremtiden.

Best egnet. Mest vellykket. Det innebærer at andre må betegnes som mindre vellykket. Survival of the fittest, også blant klimamodeller?

Ingen skal måtte dø ut

Selv om enkelte modeller beregner havets CO2-transport dårligere enn andre, er Nadine Goris skeptisk til å forkaste dem. Hver modell har sine fortrinn og sine ulemper. Det viktigste er å være klar over dette.

Nå vet hun hvilke modeller som er best egnet til å forutsi fremtidens CO2-opptak i Nord-Atlanteren.

Svaret?

De modellene som viser store opptak også i fremtiden, har antageligvis og forhåpentligvis rett. Nord-Atlanteren vil fortsette med å sluke CO2 fra atmosfæren.

Firkanten Nadine Goris
Kart med firkanter i Atlanterhavet Firkanten forskerne finner, ligger vest i Atlanterhavet, omtrent under Golfstrømmen. I dette området transporteres CO2 sørover i dyphavet. De kan på forhånd bestemme seg for hvor stort området skal være, og de tre variantene representerer ulike løsninger. Fargene representerer mengden CO2 lagret i dyphavet i klimamodellene, med blått som det laveste og rødt som det høyeste. Ill.: Nadine Goris

Fakta COLUMBIA

Constraining the large uncertainties in Earth system model projections with a Big Data approach (COLUMBIA) er et av Norges forskningsråd Toppforsk-prosjekter. Bjerknessenteret, NORCE og Universitetet i Bergen er partnere i prosjektet. COLUMBIA ledes av Jerry Tjiputra.

COLUMBIA