Biologia

Historia zapisana w drewnie

Utworzono: środa, 18 lipiec 2018 Anna Leszkowska

Drewno jest niezwykłym surowcem. Należy do najstarszych materiałów używanych przez człowieka. Stanowi podstawowy składnik papieru, wykorzystywane jest jako paliwo i materiał budowlany.

A. Stojak 1Już Leonardo da Vinci zaobserwował, że słoje drzewa różnią się w zależności od panujących warunków środowiska. W latach 20. XX w. Andrew E. Douglass bardzo wnikliwie poszukiwał związku między aktywnością Słońca i jego wpływem na warunki klimatyczne a sekwencją przyrostów rocznych. Korelacji nie udało mu się wykazać, jednak zauważył, że drzewa rosnące w podobnych warunkach klimatycznych wykazują duże podobieństwo przyrostów rocznych. Jego badania stanowiły podwaliny dendrochronologii, której użyteczność udowodniono już w 1929 roku, kiedy to na podstawie analizy pochodzącego z indiańskich osad drewna budowlanego precyzyjnie określono ich powstanie na 1285 rok.

Od lat 60. XX w. konstruowane są liczne chronologie wzorcowe, będące podstawą poprawnych datowań prób drewna o zróżnicowanym pochodzeniu.
W dendrochronologii największe znaczenie mają drzewa długowieczne, takie jak sekwoja czy dąb, a opracowane dla nich skale wzorcowe umożliwiają nie tylko ustalenie roku, ale nawet sezonu ich ścięcia (jeśli nastąpiło w okresie wegetacyjnym). Obecnie jest to najdokładniejsza metoda szacowania wieku bezwzględnego, znajdująca zastosowanie w archeologii, klimatologii, leśnictwie, ekologii czy historii sztuki. Uzyskane informacje rzucają nowe światło na historię wielu budowli, a tym samym dzieje Polski.

Sekrety drzew

Dendrochronologia (gr. dendron – drzewo, chronos – czas, logos – nauka) polega na przyporządkowaniu poszczególnym przyrostom rocznym drzewa (tzw. słojom) czasu ich powstania, w odniesieniu do konkretnych lat kalendarzowych. Badania Douglasa wykazały, że drzewa tego samego gatunku, rosnące w tym samym regionie klimatycznym, reagują podobnie na zmiany warunków środowiskowych, co przekłada się na niemal identyczny przyrost kolejnych słojów (tzw. zasada współzależności dendrochronologicznej). Szerokość przyrostów uzależniona jest od zmian temperatury, wilgotności, obecności pasożytów, działalności człowieka - jeśli warunki są sprzyjające, wytworzone pierścienie są grube, natomiast zimne, suche okresy skutkują powstaniem wąskich słojów.

Niepowtarzalna sekwencja przyrostów rocznych (tzw. krzywa dendrochronologiczna) stanowi swoisty kod kreskowy, zawierający w sobie informacje o panujących w trakcie całego życia drzewa warunków środowiskowych. Krzywe te umożliwiają dokonanie porównań pomiędzy jednym i drugim drzewem. Umożliwia to datowanie prób drewna o nieznanym wieku, z dokładnością do jednego roku oraz rekonstrukcję zmian zachodzących w danym okresie.

Co roku drzewo produkuje jeden słój, u większości gatunków klimatu umiarkowanego złożony z dwóch warstw - wyprodukowanego wiosną drewna wczesnego i powstającego w lecie drewna późnego. Proces odkładania drewna zamiera na okres zimowej przerwy wegetacyjnej, by po roku cykl powtórzył się. W drewnie drzew iglastych przyrosty są zazwyczaj czytelne i dobrze widoczne. Składają się z jasnej strefy drewna wczesnego, charakteryzującego się cienkimi ścianami komórkowymi oraz ciemną strefą drewna późnego, posiadającego grubą ścianę komórkową, nadającą drewnu dużą wytrzymałość mechaniczną.

W przypadku drzew liściastych wyróżnić można dwie grupy gatunków, różniących się rozmieszczeniem i rozmiarami elementów przewodzących wodę (tzw. naczyń). Gatunki takie jak dąb, jesion czy wiąz wiosną tworzą duże naczynia, składające się na duży i wyraźny pierścień (tzw. drewno pierścieniowo-naczyniowe). Drzewa takie jak olcha czy buk produkują drewno rozpierzchło-naczyniowe, w którym naczynia są porozrzucane równomiernie wewnątrz przyrostu rocznego. Skutkuje to tworzeniem słojów trudnych do obserwowania.
Istnieją jednak sytuacje, w których proces tworzenia nowych pierścieni zostaje zakłócony, prowadząc do powstania anomalii przyrostowych. W ekstremalnie złych warunkach (np. w przypadku długotrwałego deficytu wodnego) drzewo nawet przez kilka lat może nie wytwarzać przyrostu lub wytwarzać go jedynie na części obwodu. Zdarza się również, że w rezultacie zmian gęstości drewna wewnątrz słoja wytworzy się podwójny przyrost. Identyfikacja tych anomalii stanowi bardzo ważną kwestię w poprawnej analizie dendrochronologicznej.

Analiza dendrochronologiczna

Rozszyfrowywanie historii zapisanej w słojach zaczyna się od poprawnego pobrania próby. Może mieć ona formę tzw. „plastra”, czyli wyciętego fragmentu o grubości kilku centymetrów, reprezentującego poprzeczny przekrój drzewa lub odwiertów o średnicy 5-20 mm. Czasami wykorzystuje się wysokiej jakości fotografie.

Wykonanie odwiertu nie narusza struktury czy wytrzymałości drzewa i pozostaje prawie niewidoczne, dlatego sprawdza się zarówno u drzew rosnących, jak i w zabytkach ruchomych, na przykład meblach o wartości muzealnej czy ram obrazów. Próbki drewna pobiera się specjalnym wiertłem rurowym (nazywanym też świdrem przyrostowym Presslera), od kory w kierunku rdzenia drzewa, tak aby uchwycić całą zmienność obserwowaną na przekroju poprzecznym. Po wzmocnieniu, odwiert jest szlifowany w celu uczytelnienia sekwencji przyrostów. Aby jak najskuteczniej dotrzeć do rdzenia drzewa, należy uwzględnić jego gatunek, pozycję (na przykład stopień pochylenia) oraz ogólny stan. Ważny jest również rytm powstawania przyrostów, sposób ich odkładania (u drzew iglastych i liściastych proces przebiega inaczej) oraz obecność sęków. Powodzenie analizy uzależnione jest również od stopnia zachowania przyrostu zewnętrznego i liczby wszystkich przyrostów (powinno ich być minimum 50). W przypadku prób z zachowaną kompletną zewnętrzną warstwą drewna wraz z korą (lub przynajmniej miazgą) oszacowanie jej wieku zazwyczaj nie stanowi problemu. Ostatni przyrost (pierścień podkorowy) wyznacza rok ścinki drzewa.drzewo1

Uwidocznione podczas szlifowania pierścienie są kilkakrotnie zliczane (z dokładnością 0,01 mm), a powstały wykres jest porównywany z wykresami uzyskanymi z zestawu próbek z tej samej lokalizacji. W wyniku powyższych dopasowań powstaje chronologia względna, ustalająca jedynie następstwo czasowe pomiędzy próbami (próby starsze i młodsze), bez podawania konkretnych dat.
Aby umiejscowić próby w jednostkach czasowych (tzw. chronologia bezwzględna), niezbędne jest porównanie odczytanych sekwencji przyrostów z wykresami wzorcowymi specyficznymi gatunkowo. Zazwyczaj porównania dokonuje komputer, który wybiera kilka alternatywnych, najbardziej prawdopodobnych przedziałów z wykresu wzorcowego. Jednak to naukowiec musi zdecydować, który z tych przedziałów jest właściwym. Uznaje się, że dla poprawnego oznaczenia czasu pokrycie próby z chronologią wzorcową musi wynosić minimum 50 lat.
Wykresy wzorcowe są wynikiem synchronizacji zachodzących na siebie wiekowo wykresów drzew współczesnych z drzewami coraz starszymi, pochodzącymi m.in. z budowli i odkrywek archeologicznych (zgodnie z wyżej wspomnianą już zasadą współzależności dendrochronologicznej).
Dopasowanie wielu takich wykresów skutkuje uzyskaniem dla konkretnego gatunku ostatecznego, ciągłego kalendarium zmian w sekwencji przyrostów od chwili obecnej do czasów prehistorycznych (tzw. chronologia wzorcowa, ciągła).

Chronologie ciągłe mają jednak ograniczony geograficzny zasięg stosowania i pozwalają na szacowanie wieku drzewa jedynie z obszaru spójnego klimatycznie. Dlatego właśnie w dendrochronologii wiek próby jest albo określony bezwzględnie, albo nie jest określany wcale. Próba bez możliwości oszacowania wieku zostaje odłożona do archiwum w oczekiwaniu na kolejne chronologie wzorcowe, które kiedyś pozwolą na jej rozszyfrowanie.

Chronologie wzorcowe

W całej Europie przez wieki drzewem najczęściej używanym w budownictwie był dąb. Gatunek ten charakteryzuje się dużymi i wyraźnymi przyrostami rocznymi, a w wodzie lub wilgotnym środowisku nabiera czarnej barwy (takie formy określane są mianem „czarnych dębów”). Na obszarze Niżu Europejskiego (czyli również Polski) stwierdzono u tych drzew występowanie silnego sygnału klimatycznego(współzależności dendrochronologicznej) w kierunku równoleżnikowym, zgodnie z ukształtowaniem terenu. Umożliwia to porównanie krzywych dendrochronologicznych uzyskanych z analizy polskich dębów z krzywymi wzorcowymi dębów niemieckich, jak to miało miejsce w przypadku datowania próbek drewna z osady w Biskupinie.

Jak wspomniano, warunkiem bezwzględnego określenia wieku drewna jest posiadanie dla niego chronologii ciągłej. Opracowane chronologie są dostępne między innymi na stronie Amerykańskiej Narodowej Służby Oceanicznej i Meteorologicznej (NOAA). Wyniki wieloletnich badań są imponujące. Szwajcarskie i niemieckie skale skonstruowane dla dębu obejmują okres prawie 6 tysięcy lat!

W Polsce pierwszą ciągłą chronologię dla dębu wykonał Tomasz Ważny. Dotyczy ona Pomorza Gdańskiego i obejmuje okres od 996 do 1985 roku. Następnie skonstruowano chronologie dla dębu z Pomorza Szczecińskiego (obejmującą lata 578-1393 oraz 1554-1994), Mazowsza (obejmującą lata 593-965) i Biskupina (obejmującą lata 887-772 p.n.e.).
Włączenie do analiz subfosylnych pni czarnych dębów pochodzących z osadów rzecznych Nysy Kłodzkiej, Odry, Skawy, Wisły, Wisłoki i Sanu rozszerzyło rekonstrukcję chronologii aż do 474 roku p.n.e. (chronologia obejmuje lata 474 p.n.e.-1529). Datowanie było możliwe dzięki korelacji z chronologią z Pomorza Wschodniego oraz skalą południowo-niemiecką.

Wśród drzew iglastych na uwagę zasługuje jodła pospolita, która charakteryzuje się wyjątkowo silnym sygnałem dendrochronologicznym i szerokim zasięgiem geograficznym. Chronologia ciągła tego gatunku w Polsce obejmuje południowe obszary kraju i lata 1106 – 1998. Z kolei inny gatunek drzewa iglastego, sosna zwyczajna, wykazuje dużą zmienność osobniczą, a zdolność do występowania w różnych środowiskach doprowadziła do powstania na obszarach Niżu Europejskiego licznych form i odmian. Pomimo tych trudności, skonstruowano dla tego gatunku chronologię ciągłą z obszarów Małopolski (obejmującą lata 1091-2006) oraz Kujaw i Pomorza Gdańskiego (obejmującą lata 1106-1991).

Co można wyczytać z drewna?

drzewo2Dendrochronologia jest niezastąpioną metodą szacowania wieku zabytków. W przypadku budowli datowane są jej elementy konstrukcyjne, z możliwością określenia poszczególnych faz jej powstawania. Zakłada się, że podczas prac budowlanych wykorzystywano drewno w roku jego pozyskania, bez uprzedniego suszenia. Aby określić wiek zabytków ruchomych, do analiz wykorzystuje się próby drewna pobrane na przykład z ram, mebli, elementów ołtarzy czy ikon.

Informacja niesiona przez ciąg przyrostów rocznych jest jednak znacznie szersza niż wiek drzewa i pozwala na rekonstrukcję panujących w przeszłości warunków klimatycznych i zasięgów lodowca, występowania na analizowanych obszarach leśnych powodzi, pożarów, gradacji chrząszczy, przebieg dawnych koryt rzecznych czy ruch lawin/ wydm. Co więcej, dzięki wysokiej precyzji datowań wykonanych metodami dendrochronologicznymi, mogą być one wykorzystywane jako narzędzie do kalibracji i ulepszania datowania wykonanego metodą radiowęglową (opartą na pomiarze proporcji między izotopem promieniotwórczym węgla 14C a izotopami trwałymi 12C i 13C). Pojawia się zatem pytanie: świadkami jakich zdarzeń były polskie drzewa?

Odkrycie osady w Biskupinie niewątpliwie stanowiło sensację. Bardzo długo sądzono, że powstawała ona na przestrzeni wielu pokoleń, ale dopiero analizy dendrochronologiczne rozwiały wszelkie wątpliwości. Pobrane z różnych elementów konstrukcyjnych próbki drewna wysłano do Szwecji, gdzie wykazano, że różnica między najmłodszym a najstarszym drewnem użytym podczas budowy (czyli de facto czas wznoszenia osady) wynosiła 25 lat. Wykorzystywano głównie drewno ze ścinek zimowych.
Do oszacowania precyzyjnego wieku Biskupina zastosowano informacje o warunkach klimatycznych panujących w analizowanym okresie na obszarze sąsiednich Niemiec. Czas powstania obiektu określono na 722-747 p.n.e., czyli o 200-250 lat wcześniej niż sądzono.

Analizie dendrochronologicznej poddano również zespół grodowy w Gnieźnie. Ujawniła ona, że część grodu uznawana za jego główny człon w rzeczywistości była młodsza i rekonstrukcja wczesnośredniowiecznej fortyfikacji pierwszej stolicy państwa polskiego wymagała korekty. Podobne wyniki uzyskano w przypadku analizy prób drewna z pomostu oraz konstrukcji wałów grodu w Płońsku. Ich datowanie udowodniło, że w Płońsku już w połowie IX w. istniała stabilna i dobrze rozwinięta osada, co przeczyło teorii, że Mazowsze było zapóźnione w porównaniu z ziemią gnieźnieńską.
Naukowcy wnikliwie przebadali także drewno pochodzące z grodu na Ostrowie Lednickim, największej z pięciu wysp na jeziorze Lednica, będąca prawdopodobne miejscem Chrztu Polski. Wyspa była połączona z lądem dwoma mostami: zachodnim (poznańskim) i wschodnim (gnieźnieńskim). Pobrane próby z drewnianych elementów przyczółka oraz pali mostu gnieźnieńskiego z dna jeziora wykazały, że zbudowano go zimą 963/4 roku. Most budowany był przez 70 lat (lata 961-1032) w kilku fazach konstrukcyjnych. Stwierdzono również trzy jego przebudowy lub duże naprawy (w latach 980/81, 1015 i 1032/33), a także kilka mniejszych napraw (w latach 973, 1000 i 1022).

W przypadku cerkwi w Uluczu, uznawanej za jedną z dwóch najstarszych w Polsce cerkwi szesnastowiecznych, analizy wykazały, że w rzeczywistości jest ona młodsza niż sądzono. Wiek wszystkich odwiertów, pobranych z belek zrębowych ścian budowli określono na 1658 rok. Sugeruje to, że cerkiew najprawdopodobniej została wybudowana na miejscu starej, która uległa zniszczeniu w pożarze.

Kolejnym ciekawym przykładem jest określenie wieku łodzi znalezionej wśród pozostałości średniowiecznej zabudowy na terenie Starego Miasta w Kołobrzegu. Łódź o długości 7 metrów i szerokości 1,2 metra charakteryzowała konstrukcja mieszana, dłubankowo-klepkowa. Próby pobrano z różnych jej części, wykazując, że często była naprawiana i zapewne była wykorzystywana do transportu towarów przez około 20 lat. Części kadłuba wydatowano na 1325 rok, natomiast klepki m.in. na 1311 i 1315 rok.

Podsumowanie

W niniejszym artykule przedstawiono tylko kilka przykładów na to, jak metody dendrochronologiczne pozwoliły precyzyjnie oszacować wiek niektórych budowli i tym samym skorygować powszechnie uznawane dogmaty historyczne. Zachęconych tym tematem czytelników odsyłam zatem do licznych książek i artykułów naukowych, opisujących kolejne spektakularne odkrycia. Okazuje się bowiem, że niewielki i niepozorny kawałek drewna wyłowiony z morza skrywać w sobie może nieznane historie na przykład o podbojach i wędrówkach Wikingów. Opracowane do tej pory chronologie ciągłe pozwalają na określanie wieku drewna dębowego pochodzącego z ostatnich 2 tysięcy lat oraz drewna sosnowego i jodłowego z ostatniego tysiąclecia. W dendrochronologii tkwi zatem olbrzymi potencjał badawczy i z jej pomocą naukowcy na pewno rozwiążą jeszcze niejedną zagadkę.
Joanna Stojak
Instytut Biologii Ssaków PAN w Białowieży

Literatura dodatkowa:

Schweingruber F.H. 1988. Tree rings. Basics and applications of dendrochronology. Berlin Wydawnictwo Springer.

Strona internetowa Amerykańskiej Narodowej Służby Oceanicznej i Meteorologicznej (NOAA):
https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/paleoclimatology-data/datasets/tree-ring

DMC Firewall is developed by Dean Marshall Consultancy Ltd