Paleoceanografia: arktyczne archiwum klimatu

Współczesna klimatologia skupia się na przewidywaniu przyszłych zmian środowiskowych. Modele klimatyczne i prognozy trendów mają pomóc nam w przygotowaniu się do cieplejszej, bardziej nieprzewidywalnej przyszłości. Nieoczekiwanie, jednym z elementów pozwalających nam na lepsze przewidzenie zmian klimatu jest… błoto, czyli profesjonalnie mówiąc osady, które spoczywają na dnie oceanów. Są one bardzo dokładnym archiwum zmian zachodzących w środowisku. W takim razie jak i po co badamy osady? I dlaczego robimy to w Arktyce? Na te pytania odpowiedzi udziela nam paleoceanografia.

Ilustracja 1: Obraz Williama Fredericka Mitchella przedstawiający HMS Challanger. (domena publiczna)

Historia badania… historii klimatu

Podwaliny oceanografii powstały podczas podróży, a dokładniej rejsu statku HMS Challenger, który rozpoczął się w 1872 roku. Rejs kosztował zaledwie 200 000 funtów, trwał cztery lata i owocował odkryciem prawie 5000 nowych gatunków morskich organizmów (Jones, 2019). W trakcie rejsu po raz pierwszy określono, jakie dokładnie osady zalegają na dnie Oceanu Spokojnego, Atlantyckiego oraz Indyjskiego. Z

zaskoczeniem zaobserwowano, iż choćby w głębokich rejonach oceanu na jego dnie występują nieznane nauce organizmy. Ekspedycja ta była pierwszym tak dużym przedsięwzięciem oceanograficznym, a próbki pobrane w jej trakcie badane są do dziś w laboratoriach na całym świecie. Ponad siedemdziesiąt lat później, odbył się pierwszy rejs, którego celem było pobieranie długich rdzeni osadów morskich w celu odtworzenia historii klimatu. Czyli dokładnie to, czym zajmuje się dzisiejsza paleoceanografia.

Dlaczego Arktyka?

Dzisiaj badanie historii klimatu zaczyna się tak samo. Od rejsu. Daleko za kołem podbiegunowym, w jedynym oceanie, do którego nie dotarła ekspedycja HMS Challenger.

To Ocean Arktyczny, gdzie latem nie zachodzi słońce, a zimą cały czas panuje ciemność. Tutaj siły lodu, skał i wody wytwarzają osady bardzo delikatne, a panujące zimno konserwuje wszystko co opada na dno jak w lodówce. To właśnie te warunki sprawiają, iż paleoceanografowie tak ulubili sobie ten rejon.

Ilustracja 2: Lód, skały i woda, czyli krajobraz północnej części wyspy Spitsbergen. Zdjęcie: Natalia Szymańska.

W arktycznych osadach dobrze zachowują się mikroskamieniałości, barwniki i inne związki produkowane przez organizmy morskie i lądowe. Potrafimy z nich odczytać historię zmian klimatu, zasolenia, poziomu morza i innych warunków środowiskowych. Jesteśmy w stanie odtworzyć bogactwo życia, jak i określić chronologię wymierań. Osady pomagają również odpowiedzieć na nurtujące historyków pytania dotyczące gwałtownych zmian w rozwoju ludzkości.

Najpierw jest teren – pobieranie próbek

Jak, od czysto technicznej strony, pobiera się osady? Polska dysponuje kilkoma statkami badawczymi, w tym niezastąpioną S/Y Oceanią, która od ponad trzydziestu lat spędza każde lato w Arktyce. Na tym statku, będącym własnością Instytutu Oceanologii PAN (IOPAN) prowadzone są serie najróżniejszych badań. Od pomiarów aerozoli w atmosferze, przez badania kolumny wody i organizmów w niej żyjących, do osadów dennych, ich składu chemicznego i mieszkańców. Ostatni etap rejsu przypada na początek września i właśnie wtedy na statek wchodzi ekipa Zakładu Paleoceanografii IOPAN.

Na wybranych stacjach badawczych dokonujemy podejścia do poboru rdzeni. Na tylnej części statku, czyli rufie, znajduje się wielka rama, na której zawieszony jest mający zwykle około trzech metrów, rdzeniownik grawitacyjny. U jego szczytu znajduje się kilka ołowianych pierścieni, które pomagają mu wbić się w osad. Wysokie fale, burze i silny wiatr sprawiają, iż jest to zadanie dość niebezpieczne i czasem uniemożliwiają pobór rdzeni. Rdzeniownik zwisa swobodnie i waży kilkaset kilogramów, więc w takich warunkach „tańczy” na stalowej linie przez co nie jesteśmy w stanie nad nim zapanować.

Ilustracja 3: Rdzeniownik pełen osadów tuż po wyciągnięciu z wody. Statek badawczy Instytutu Oceanologii PAN, S/Y Oceania. Zdjęcie:: Dhanushka Devendra.

W środku rdzeniownika znajduje się plastikowa rura. Dla dociekliwych, jest to najzwyklejsza rynna PCV z marketu budowanego. Gdy już uda nam się spuścić rdzeniownik w dół i wyciągniemy go na powierzchnię, rurę ze środka zabezpieczamy korkami i folią, opisujemy i przekazujemy do chłodni. Ważne jest by rura transportowana była w pionie, dzięki czemu unikamy mieszania osadu.

Analiza próbek w laboratorium

W laboratorium otwieramy rdzeń, który następnie tniemy na cienkie warstwy. Poszczególne warstwy poddawane są kilku, a choćby kilkunastu różnym analizom. Każdy gram osadu jest cenny.

Najbardziej podstawowym z badań jest analiza wielkości uziarnienia, czyli granulometria. Mówi nam ona o źródle pochodzenia osadu czy tempie przypływu wody.

Osad badamy również pod kątem zawartości różnorakich substancji. Ciekawym przedmiotem takich badań są chlorofile i ich pochodne, które informują o intensywności życia morskiego w danym okresie. Pod nazwą IP25 (Ice Proxy with 25 carbon atoms) kryje się natomiast lipid, który produkowany jest przez okrzemki, które rosną jedynie w towarzystwie lodu morskiego (Belt i Muller, 2013; Weckstrom i in., 2013). Jego ilość w osadzie dostarcza zatem informacji o tym jak w przeszłości zmieniały się warunki lodowe.

Ilustracja 4: Analiza podatności magnetycznej w rdzeniu osadów pobranym z dna Morza Norweskiego. Na zdjęciu dr Natalia Szymańska i mgr Dhanushka Devendra z Zakładu Paleoceanografii IOPAN. Zdjęcie: Ngoc Loi Nguyen

Możemy również mierzyć zawartości różnych pierwiastków, podatność magnetyczną osadu, zawartość materii organicznej czy stosunki izotopów niektórych pierwiastków. Stosunek izotopów stabilnych tlenu jest szczególnie cenny, bo na jego podstawie jesteśmy w stanie określić zmiany temperatury (Stuiver, 1970, Stuiver i Grootes, 2000, patrz też Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura). Jak widać, paleoceanografia dysponuje w tej chwili całym arsenałem analiz rozwijanych przez kilka ostatnich dekad.

Najmłodsza dziedzina

Jednym z najnowszych narzędzi w paleoceanografii jest analiza środowiskowego DNA. Wszystko co żyje w wodzie i w osadzie pozostawia po sobie ślad w postaci DNA. Dopiero od niedawna zwiększono dokładność metod molekularnych i moc obliczeniową komputerów na tyle, iż jesteśmy w stanie odnaleźć DNA i RNA w warstwach datowanych na setki tysięcy lat.

Ta nowa metoda badania osadów pozwala nam na odtworzenie całego zbiorowiska organizmów żyjących w danym miejscu w konkretnym momencie czasu, co sprawia, iż ta młoda dziedzina paleoceanografii jest niesamowicie interesująca i rozwija się w bardzo szybkim tempie. O potencjale współczesnych metod molekularnych niech świadczy eksperyment Christiny Lynggaard z Uniwersytetu Kopenhaskiego. Pobrała ona próbki powierza w ogrodzie zoologicznym z których otrzymała DNA prawie pięćdziesięciu gatunków kręgowców (Lynggaard i in., 2022).

Małe, a ważne – mikropaleontologia

Ilustracja 5: Rdzeń osadów przeznaczony do badania środowiskowego DNA. Próbki pobierane są w pomieszczeniu w którym panuje nadciśnienie, powietrze jest stale filtrowane i panuje absolutny zakaz wchodzenia bez wcześniejszego przygotowania. Zdjęcie: Ngoc Loi Nguyen

Bardzo popularnym podejściem w rekonstrukcji zmian klimatycznych jest również mikropaleontologia. Najpopularniejszą grupą organizmów wykorzystywaną do rekonstrukcji klimatu są otwornice. Większości z nas nazwa ta kojarzy się ze sprzętem, który umożliwia wykrajanie otworów w różnych materiałach. Otwornice to jednak również organizmy starsze od pierwszych dinozaurów. Dzięki swojej małej wielkości, twardym skorupkom i szerokiemu rozpowszechnieniu były na początku idealnym narzędziem do wykrywania… złóż ropy naftowej.

W latach dwudziestych i trzydziestych amerykański naukowiec, Joseph Cushman rozwinął metodę wykorzystującą otwornice do korelacji warstw w odwiertach, co znacząco ułatwiło poszukiwania ropy naftowej (Cushman i Applin, 1926; Cushman, 1935) i było jedną z przyczyn szybkiego rozwoju koncernów petrochemicznych w USA.

Obecnie otwornice wykorzystujemy głównie do odtwarzania zmian klimatu, ponieważ różne gatunki otwornic cechują się różną tolerancją na czynniki środowiskowe. W osadach arktycznych często zachowują się całe zespoły otwornic. Analizując ich zmiany na przestrzeni dziejów, możemy w stosunkowo łatwy i tani sposób rekonstruować zmiany klimatyczne i oceanograficzne.

Co okryliśmy dzięki osadom?

Jak już ustaliliśmy, morskie osady są jednym z podstawowych źródeł informacji o zmianach klimatu w wysokiej rozdzielczości. Wyniki takich badań opisane są w tysiącach publikacji. Jako przykłady niech posłużą nam zatem prace polskiego zespołu z IOPAN z ostatnich lat. Chociaż badania takie wydają się dość niszowe, należy pamiętać, iż kluczem do przewidzenia przyszłości, jest badanie przeszłości. To właśnie takie badania pomagają lepiej oszacować odpowiedź systemu klimatycznego Ziemi na poszczególne zmiany warunków środowiskowych.

Ilustracja 6: Poszukiwanie otwornic i analiza osadów w laboratorium mokrym na statku S/Y Oceania. Na zdjęciu dr Joanna Pawłowska i dr Natalia Szymańska z Zakładu Paleoceanografii IOPAN. Zdjęcie: Marek Zajączkowski.

Dr Łącka i inni odkryli konkrecje wiwianitu w warstwach datowanych na młodszy dryas (Łącka i in., 2020). Dzięki temu dowiedzieliśmy się, w zachodnim Morzu Barentsa okres ten był wyjątkowo niekorzystny dla fauny i flory, gdyż przy dnie panowały warunki beztlenowe, a warstwy wody mieszały się ze sobą w bardzo ograniczony sposób. Co ciekawe, ciężkim warunkom panującym w młodszym dryasie przypisuje się też ogromny wpływ na rozwój ludzkości. W trakcie młodszego dryasu zmniejszyła się liczba ludności w niektórych regionach świata (Andreson i in., 2011; Sepúlveda i in., 2022), a część badaczy uważa, iż okres ten pchnął ludzkość w kierunku rozwoju osadnictwa, kończąc etap kultur zbieracko-łowieckich (Blockley i Pinhasi, 2011; Burdkiewicz, 2011; Lothrop i in., 2011).

Dr Pawłowska w swoich badaniach zajmuje się głównie wspomnianym wcześniej środowiskowym DNA. W swojej pracy z Oceanu Arktycznego odkryła DNA otwornic datowane na 140 000 lat (Pawłowska i in., 2020). To dotychczas najstarsze DNA otwornic jakie zna nauka. Praca ta jest jednak wartościowa nie tylko z tego powodu. Pokazuje ona również historię zmienności genetycznej bardzo licznie występującego w całej Arktyce gatunku otwornicy Neogloboquadrina pachyderma. Gatunek ten jest często wykorzystywany w rekonstrukcjach zmian temperatury i zasolenia wód tego regionu.

Kolejnym przykładem pracy polskiego zespołu jest artykuł mgr Devendry i innych. Jest on dopiero recenzowany, ale mogę zdradzić, iż przedstawia pierwsze dowody na to, iż największe w historii tsunami odcisnęło swój ślad w osadach Morza Barentsa w okolicy Wyspy Niedźwiedziej. Tsunami to było spowodowane przez kompleks osuwisk Storegga położonych w centralnej części Morza Norweskiego (Gaffney i in., 2020). Ich obszar odpowiada około jednej trzeciej powierzchni Polski, a ilość osadów uwolnionych podczas tąpnięcia wynosiła 2400–3200 km³ (Haflidason i in., 2005). Samo tsunami zalało pomost lądowy między Wyspami Brytyjskimi a kontynentalną Europą i spowodowało ogromną ilość ofiar śmiertelnych 8200 lat temu (Waddington i Wicks, 2017; Walker i in., 2020; Sharrocks i Hill, 2023).

Zmiany widzimy (prawie) gołym okiem

Ilustacja 7: Rycina Ernsta Haeckela przedstawiająca Anthomedusae, rząd stułbiopławów, rok 1904. (domena publiczna)

Wróćmy na chwilę do pierwszej ekspedycji oceanograficznej HMS Challanger. W jej trakcie pobrano próbki wody z których wyciągnięto otwornice. Ich skorupki są zachowane do dziś w Muzeum Historii Naturalnej w Londynie. Fox i inni (2020) porównali je z osobnikami pobranymi na tych samych stacjach w 2011 roku, podczas ekspedycji Tara Oceans. Okazuje się, iż współczesne otwornice są mniejsze, ich skorupki cieńsze i posiadają mniej kolców, niż te które żyły ponad 150 lat temu. Otwornice są bardzo ważnym elementem obiegu węgla, więc zmiany w ich populacji mogą wpływać na klimat, powodując sprzężenie zwrotne o nie do końca znanym efekcie.

Opowieść o paleoceanografii zakończmy nawiązaniem do sztuki. Organizmy pobrane podczas rejsu HMS Challanger zostały uwiecznione na rycinach w książce „Kunstformen der Natur” Ernsta Haeckela. Ryciny te były jednym z elementów inspirujących secesję i inne nurty sztuki początku XX wieku, tym razem pokazując wpływ natury na człowieka w dużo przyjemniejszy i mniej drastyczny sposób.

dr Natalia Szymańska