Paleolimnologia odkrywa przeszłość
Pamięci Sarah Crump, dla której badanie osadów jeziornych było pasją i sposobem na życie, nie tylko pracą.
Przez wieki na dnie zbiorników wodnych (np. jezior) gromadzi się materiał, który był świadkiem wielu historycznych przemian. W takich osadach odkładają się również szczątki mikroorganizmów, roślin i zwierząt. Badania osadów jeziornych (paleolimnologia) oraz zawartego w nich antycznego DNA potrafią sięgać kilkaset tysięcy lat wstecz, odkrywając niezwykłą historię zmian klimatu i środowiska.
Skarby z dna jezior
Na początek wypadałoby przedstawić bohatera artykułu. Osady jeziorne składają się głównie z materiału klastycznego (inaczej nazywanego osadem okruchowym, powstałym z nagromadzonych różnej wielkości okruchów minerałów i skał, które wcześniej uległy erozji, tj. osadów gliny, mułu i piasku), szczątków organicznych, osadów chemicznych lub ich kombinacji. Różnorodność i obfitość każdego z nich zależy od lokalnego charakteru miejsca, klimatu i względnego wieku jeziora. I tak oto osady jeziorne w akwenie poglacjalnym będą charakteryzować się akumulacją najpierw osadów gruboziarnistych, potem drobniejszych osadów chemicznych, a następnie coraz większymi ilościami materiału biologicznego, w tym torfów i turzyc.
Najcenniejszych informacji dostarczają osady warstwowe (tzw. laminowane), które umożliwiają precyzyjne określenie nie tylko zmian, które zaszły w środowisku w przeszłości, ale również ustalenie ich chronologii. Co ciekawe, mimo wielu badań, nadal nie udało się ustalić jakie warunki prowadzą do powstawania i przetrwania laminacji. Niewątpliwie głównymi podejrzanymi są warunki klimatyczne i limnologiczne (czyli bilans wodny jezior, zasilanie i dynamika wód jeziornych, termika wody oraz wpływ zlewni – całości obszaru, z którego wody spływają do jednego punktu - jeziora).
Rdzeń osadu szyfruje obszerną dokumentację historii jezior: zmarszczki spowodowane działaniem prądu lub fal, warstwy węglowe, warstwy z różnych okresów zawierające gatunki skamieniałości z zimnych i ciepłych wód oraz pyłki i ślady chemikaliów pochodzenia ludzkiego. Tym samym badając osady jeziorne można poznać historię jeziora i jego basenu oraz klimatu panującego w regionie na przestrzeni wieków. Punktami odniesienia w datowaniu poszczególnych warstw są dobrze znane wydarzenia historyczne: wielkie erupcje wulkanów, stężenia pyłków charakterystyczne dla wycinki lasów północnoamerykańskich przez wczesnych osadników, pierwsze szerokie wykorzystanie niektórych metali ciężkich przez przemysł czy wybuchy bomb atomowych.
Śledząc zmiany klimatu
Klimat się zmienia i jego fluktuacje znacząco wpływają na światową bioróżnorodność, szczególnie w przypadku Arktyki. Arktyczne lato staje się coraz dłuższe, a ocieplenie prowadzi do pojawiania się w tym regionie nowych gatunków roślin. Jednak czy na pewno nowych? Nie ma zbyt wielu danych paleoklimatycznych pokazujących jak roślinność reagowała na zmiany klimatu w ciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat.
Obecne zmiany temperaturowe okazują się być porównywalne z sytuacją panującą podczas ostatniego interglacjału (ang. Last Interglacial, LIG), trwającego przez około 13 tysięcy lat (od 129 do 116 tysięcy lat temu). Niestety, zapisy lądowe na wyższych szerokościach geograficznych z tego okresu są rzadkie i niewiele wiadomo o wzorcach rozmieszczenia roślinności LIG. W tym celu można wykonać analizy palinologiczne (w oparciu o badania pyłków), jednak pyłek jest lekki i z łatwością przenosi się na duże odległości, co może zaburzać prawidłowy wzorzec wegetacji. I tu z pomocą ruszają analizy antycznego DNA z osadów jeziornych. A dokładniej antycznego środowiskowego DNA, który można wyizolować bezpośrednio z próbek bardzo starych osadów (sedaDNA).
Jednej z takich rekonstrukcji zbiorowisk roślinnych dla dwóch różnych czasowo okresów (LIG oraz interglacjału współczesnego, w którym dziś żyjemy) dokonano na wyspie Baffina w Kanadzie. Wyniki ujawniły, że w najcieplejszym okresie LIG doszło do przesunięcia zasięgu brzozy karłowatej (drzewiastego krzewu, którego zasięg geograficzny obejmuje tereny w strefie klimatu arktycznego i umiarkowanego chłodnego na półkuli północnej) o około 400 km na północ! Co więcej, dziś gatunek ten także rozszerza swój zasięg, przesuwając się wciąż bliżej i bliżej Arktyki. Badania jednoznacznie potwierdzają trend, w którym w odpowiedzi na ocieplanie klimatu, zarówno kiedyś, jak i dziś, Arktyka zaczyna się zielenić.
Sekretne życie lodowców
Lodowce nieubłaganie cofają się i zmniejszają swój zasięg. Następujące po sobie w trakcie ostatniego zlodowacenia glacjały (okresy zimne) i interglacjały (okresy ciepłe) skutkowały naprzemiennym cofaniem się i narastaniem czapy lodowca w głąb lądu. Pozostałością tych wędrówek jest krajobraz polodowcowy, który możemy obserwować w wielu miejscach na półkuli północnej, w Polsce na przykład na Suwalszczyźnie. Każda kolejna wędrówka wymazuje jednak krajobraz po poprzedniej, tak jakby każdy kolejny glacjał kasował informacje pozostawione przez poprzedników. Dlatego właśnie brakuje dowodów jak w rzeczywistości kształtowały się środowisko i dynamika lodowców względem kolejnych zmian klimatu. Ku zaskoczeniu naukowców, nie wszystko przepadło!
Analizy osadów jeziornych z jezior Delta i Surprise, położonych wysoko w górach, w pobliżu lodowca Teton uchyliły rąbka tajemnicy. Lodowiec Teton to lodowiec górski położony w stanie Wyoming w Stanach Zjednoczonych. W 1971 roku lodowiec miał około 1067 metrów długości i 336 metrów szerokości, ale do 2006 stracił około 14-20% powierzchni, zmniejszając się z 64 do 53 akrów. Jezioro Delta przechwytuje topniejącą i spływającą wodę z samego lodowca, gromadząc informacje z aktywności lądolodu w czasie. Położone nieopodal jezioro Surprise, zasilane przez topniejący w górach śnieg, okazało się świetnym indykatorem lokalnych różnic klimatycznych.
Badania wykazały, że lodowiec Teton jest starszy niż dotychczas sądzono i powstał nie tysiąc lat temu, ale znacznie wcześniej. Co więcej, okazało się, że zmiany w zimowych opadach śniegu miały znaczący wpływ na zachowanie się lodowca, co pozwala sądzić, że współczesne zmiany w grubości i czasie zalegania pokrywy śnieżnej wysoko w górach, wynikające z ocieplenia klimatu, bezpośrednio dotkną wszystkich lodowców wysokogórskich na Ziemi, skutkując pogorszeniem ich kondycji i ich kurczeniem.
Gra warta świeczki
Jeziora i lodowce wysokogórskie znajdują się w pięknych przyrodniczo terenach, ale oznacza to również ciężką pracę badaczy. Naukowcy muszą dostać się do nich pieszo, niosąc łodzie i sprzęt do pobierania rdzeni! W drodze powrotnej dodatkowym obciążeniem są ciężkie próbki rdzeni wypełnione błotem (osadem jeziornym).
Osady jeziorne są fantastycznym źródłem wiedzy paleoklimatycznej. Jeszcze do niedawna wiedza o ekologii roślin z okresu czwartorzędu, (który trwa od ponad 2,5 miliona lat i jest dzielony na plejstocen i holocen), opierała się na identyfikacji morfologicznej makro- i mikroskamieniałości ujawnionych w osadach. Dziś w badaniach paleolimnologicznych wykorzystuje się najnowocześniejsze techniki biologii molekularnej, analizując bardzo pofragmentowany, ale niezwykle bogaty i szczegółowy sedaDNA. Pozwala to na „wyciągnięcie” z dna zbiorników jeszcze więcej informacji, o czym do niedawna naukowcy mogli jedynie pomarzyć.
Joanna Stojak
Instytut Genetyki i Biotechnologii Zwierząt PAN w Jastrzębcu