Lipiec 2007 r., wybrzeże zachodniej Grenlandii. Poranek wydaje się być przyjemny, nieco mroźny, lecz słoneczny. A do tego widok, którego nikt się nie spodziewał. Z zapisków pokładowych wynika, że ta góra lodowa rozmiarami sięgała dwunastopiętrowego wieżowca! Oderwała się najprawdopodobniej od pokrywy lodowej Grenlandii w wyniku procesu topnienia. Oto niezbity dowód na globalne ocieplenie. Ów rejs, który dostarczył mi ciekawego materiału do badań, obfitował w widoki gigantycznych tworów zimowego zamarzania (Fot. 1).

Góry lodowe z Zatoki Disko, niegdyś odpowiedzialne za zatopienie Titanica, obecnie są pod stałą kontrolą instytutów monitorujących klimat. Obserwacje te służą przede wszystkich celom badawczym wielu dziedzin nauki – od klimatologii poprzez oceanologię do diatomologii. Najciekawsze przy tym jest to, że te odmienne dziedziny doskonale się uzupełniają, dostarczając materiału do snucia przeróżnych analogii odnoszących się zarówno do zjawisk przeszłych, jak i tych, które mogą nastąpić. Zrozumienie reguł rządzących klimatem, tak w przeszłości, jak i obecnie, jest kluczem do rozszyfrowania zagadki zmienności klimatycznej, a potrzebna do tego wiedza musi pochodzić z rozmaitych źródeł. Od trzech już lat staram się ze wszystkich sił posiąść ten klucz, lecz nie jest to wcale taka prosta sprawa, zwłaszcza, że dziedzina badawcza, którą sobie upodobałam, nie należy do popularnych.

Szklane domy

Diatomologia, bo o niej mowa, to dziedzina, która koncentruje się na badaniu mikroskopijnych roślin zwanych okrzemkami (Fot. 2). Są to jednokomórkowe glony występujące w każdym środowisku, gdzie dostępne są woda i światło. Ani zbyt wysoka temperatura, ani hiperzasolenie, ani żaden inny ekstremalny czynnik środowiskowy nie są w stanie przeszkodzić im w rozwoju. Umieją się przystosować do wszelkich zmian środowiskowych, choć poszczególne gatunki mają swoje specyficzne preferencje, co sprawia, że oparta na nich interpretacja naukowa staje się bardziej szczegółowa. Wytwarzają rozmaite przystosowania (śluzowate poduszeczki, styliki), które pozwalają im przyczepiać się do podłoża, pływających przedmiotów czy kadłubów statków. Niektóre okrzemki (tzw. formy pierzaste) swoim kształtem dopasowują się do mikroszczelin w lodzie i przemieszczają ku jego powierzchni do światła. Co więcej, dzięki bliżej jeszcze nieokreślonemu procesowi, potrafią wytwarzać substancję organiczną, która – wydzielana na zewnątrz komórki – tworzy rurki, zasiedlane następnie przez te komórki. Obserwując żywe osobniki w takich rurkach odnosi się wrażenie, jakby to były wagony poruszające się w mikroskopijnej sieci metra.

Właśnie tak, one się poruszają! Nie mówimy tu bynajmniej o ich unoszeniu w toni wodnej w wyniku falowania, lecz o samodzielnym ruchu, niespotykanym u żadnych innych roślin. Polega to na produkcji śluzu, który dosłownie wystrzeliwany jest ze szczeliny skorupki, nadając jej ruch. W ten sposób, jeśli okrzemki zbiorą się w kolonię, mogą się rozciągać i kurczyć jak harmonijka. Do tego są na tyle „sprytne”, że „wiedzą”, gdzie się zaczyna, a gdzie kończy ta kolonia i pląsają sobie nie rozrywając utworzonej struktury.

Ponadto obserwując żywe osobniki można dostrzec różne mechanizmy obronne przed mniejszymi drapieżnikami. Są to na przykład nici polisacharydowe, tworzące długie szczotki – które nie stanowią jednakże szczytu ich możliwości adaptacyjnych. To, co jest w okrzemkach najciekawsze, a zarazem najbardziej przydatne dla ludzi, to twarda, krzemionkowa skorupka. Można o nich powiedzieć, że mieszkają w „szklanych domach”, a przynajmniej tak to wygląda, kiedy mieszkańców nie ma w środku.

Skorupki okrzemek posiadają liczne otwory, pory, co pozwala mówić o ornamentacji. Jest to dowód nie tylko na piękno natury, niejednokrotnie wykorzystywane przez artystów, ale także na przydatność do spożycia. Mowa tu o produkcji np. piwa i wina, ściślej – o procesie filtracji. Skorupki okrzemek uczestniczą w nim w formie skały litej – ziemi okrzemkowej – powstałej z ich nagromadzenia na dnie oceanicznym lub w ogromnych basenach jeziornych. A tym, co daje ów efekt filtracji, jest właśnie porowata struktura. Ponadto ziemia okrzemkowa stosowana jest do produkcji dynamitu jako jeden z jego składników. Natomiast z dużej masy żywych osobników można pozyskiwać olej (biodiesel). Na tym nie kończy się zakres zastosowania tych unikatowych mikroorganizmów. Wytwory natury to dzieła perfekcyjne. Dlaczego więc technika nie miałaby brać tej perfekcji za wzór? W dobie rozwijającej się nanotechnologii krzemionkowe skorupki okrzemek służą więc za model obudowy mikroprocesorów. Podobnie jest z zawiasami czy zrostami w miejscach łączeń skorupek (Fot. 3). Ich precyzja i perfekcja jest wprost zadziwiająca i aż trudno uwierzyć, że jest to element budowy organizmów jednokomórkowych.

Klimatyczny bioindykator

Przejdźmy teraz do badań, które prowadzę właśnie nad okrzemkami. Jako, że opal (bezpostaciowa krzemionka) jest niezwykle twardym minerałem, skorupki okrzemek są bardzo odporne na mechanizmy niszczenia i mogą przetrwać w osadzie dna morskiego w dobrym stanie nawet przez kilkaset milionów lat. Dzięki temu (znane są w skałach datowanch na okres od dolnej Jury do dziś), już jako mikroskamieniałości, używane są przez paleontologów jako doskonałe narzędzie do rekonstrukcji zmian oceaniczno-klimatycznych.

Zanim jednak rozpocznę rozważania na temat przydatności okrzemek do odtwarzania ewolucji akwenów, pozwolę sobie zaprezentować niezbędne informacje dotyczące dzisiejszego klimatu i hydrologii zachodniej Grenlandii. Istotne są tu trzy aspekty: Prąd Zachodniogrenlandzki, pokrywa lodowa i oscylacja północnoatlantycka (NAO), tworzące system wzajemnych zależności. Prosto rzecz ujmując, NAO kształtuje klimat i system prądów północnego Atlantyku; elementem tego systemu jest relatywnie ciepły Prąd Zachodniogrenlandzki, łagodzący klimat południowo-zachodniej części Grenlandii, co z kolei oddziałuje na jej pokrywę lodową. Biorąc zatem pod uwagę globalne zmiany klimatyczne, czyli naprzemienne ocieplenia i ochłodzenia w historii Ziemi, wiemy, że w pierwszej kolejności sygnał takich zmian pochodzi z Arktyki. Jako że Grenlandia jest jej nieodłączną częścią, a dodatkowo podlega silnemu wpływowi względnie ciepłego prądu transportującego wody z obszarów zwrotnikowych i mającego swój udział w wywoływaniu wiosennych roztopów, wszelkie zmiany procesów globalnych zapiszą się u zachodnich wybrzeży Grenlandii, nawet w tak niewielkiej jej części, jaką jest środowisko Zatoki Disko. Potrzebne są tylko odpowiednie narzędzia i wskaźniki pomocne w badaniu tych procesów.

I tu w sukurs przychodzą właśnie okrzemki. Ale co one mają do klimatu? Otóż sprawa jest nieco skomplikowana i skupia się głównie na analogicznym pojmowaniu zjawisk. Należy zacząć od stwierdzenia, że okrzemki – jako duża grupa taksonomiczna – reagują na różne zmiany parametrów środowiska, które zasiedlają, ponieważ poszczególne gatunki charakteryzują się określonym zakresem tolerancji wobec np. temperatury czy zanieczyszczenia wód. Mają więc cechy bioindykatorów. Uwzględniając to, że opisano dotychczas około 70 tys. gatunków z całej kuli ziemskiej, można śmiało stwierdzić, że są czułym i precyzyjnym markerem.

Ułatwienie dla paleooceanologów stanowi fakt, że zasiedlają one strefę fotyczną, odpowiadającą górnym 100-200 metrów wody. Ponadto występują obficie i charakteryzują się wysokim zróżnicowaniem gatunkowym w wysokich szerokościach geograficznych i rejonach przybrzeżnych, ze szczególnym upodobaniem strefy lodu. Tam właśnie część gatunków wciska się w szczeliny lodowe, część pływa w zimnej wodzie roztopowej, inne w relatywnie ciepłej prądu oceanicznego, a jeszcze inne po prostu tworzą formy przetrwalne i opadają na dno. Wiedza na temat preferencji środowiskowych (temperatura, zasolenie, wody roztopowe, występowanie w wodach określonych prądów oceanicznych itp.) i przyżyciowe obserwacje ustalające cykle życiowe okrzemek pozwalają na zastosowanie analogii między obserwowanym składem gatunkowym a preferencjami środowiskowymi poszczególnych odnotowanych gatunków.

Idąc dalej tym tropem wnioskujemy o warunkach klimatycznych, które panowały w okresie, gdy formowało się skupisko gatunków okrzemek, których okrywy identyfikujemy w próbkach osadu. Zachodnia Grenlandia jest doskonałym miejscem do takich badań ze względu na złożoność występujących tam procesów kształtujących zmiany środowiskowe i różnorodność biologiczną zespołów okrzemek.

Prowadzone przeze mnie badania dostarczają danych do poparcia wysuwanego już powszechnie twierdzenia o globalnym ociepleniu. Zmiany, które zaobserwowałam, to wzrost liczby gatunków typowych dla roztapiającego się lodu i masowe tworzenie kolonii przez te gatunki. Te zaskakujące wyniki okazały się niezwykle przydatne dla naukowców z Grenlandzkiego Centrum Badań Klimatu (Greenland Climate Research Centres) w Grenlandzkim Instytucie Zasobów Naturalnych (Greenland Institute of Natural Resources), ponieważ świadczą o wyraźnym sygnale ocieplenia. Takiego sygnału pochodzącego z badań mikroglonów do tej pory jeszcze nie mieliśmy, więc z niecierpliwością czekamy, co przyniosą kolejne lata obserwacji. Planujemy wykorzystać wszystkie dostępne dane z zachodniej Grenlandii do stworzenia modelu zasięgu lodu morskiego, który pomoże nam w formułowaniu scenariuszy na przyszłość.

Tajemnicza aktywność prądu

Jednak zanim to nastąpi, musimy niejako cofnąć się w czasie i poznać historię tego niezwykłego obszaru, jakim są wybrzeża zachodniej Grenlandii. W tym celu prowadzę także analizę okrzemek w poszczególnych warstwach osadu uzyskiwanego za pomocą długich rdzeni głębokomorskich. Analiza zaczyna się od pobrania prób osadu i przygotowania w laboratorium materiału do obserwacji pod mikroskopem. Obserwacje te pozwalają następnie na ustalenie składu gatunkowego okrzemek w każdej próbie, której wiek określa się na podstawie datowania metodą radiowęglową. Uzyskujemy w ten sposób czas geologiczny i procentowy udział różnych gatunków okrzemek mających określone preferencje w odniesieniu do temperaturowych. Tutaj ponownie zachodnia Grenlandia wygrywa zawody nadzwyczajności. Okazało się bowiem, że nasze badania doprowadziły do odkrycia zjawiska geograficznego. Mowa o antyfazie oceaniczno-klimatycznej, która polega na ochłodzeniu temperatury wód powierzchniowych w czasie ocieplenia klimatu i ocieplenia tychże wód podczas jego ochłodzenia. Wyjaśnienie tego zjawiska jest stosunkowo proste i odwołuje się głównie do wód roztopowych oraz prądu oceanicznego.

Ostatnie 1500 lat historii zachodniej Grenlandii wyglądało w skrócie tak. Podczas okresów ociepleń (np.: ciepły okres średniowieczny) nasilone były roztopy lodów w strefie przybrzeżnej, co doprowadziło do ochłodzenia powierzchniowej warstwy wód morskich, zasiedlonej wówczas przez gatunki zimnolubne i lodowe. Natomiast w czasie okresów ochłodzeń (np.: mała epoka lodowcowa) roztopy były mniej intensywne, udział procentowy tych gatunków w całym zespole również mniejszy, za to silne sztormy i wiatry północnego Atlantyku doprowadziły do nasilenia wpływu prądu oceanicznego na badany obszar, a co za tym idzie – wzrostu udziału gatunków charakterystycznych dla wód umiarkowanych, względnie ciepłych.

W ten sposób odkryliśmy jeszcze jedną ciekawostkę, a mianowicie to, że Prąd Zachodniogrenlandzki pozostaje aktywny w okresie ochłodzenia klimatu, co do tej pory było tajemnicą. Jest tylko jedno „ale” i jeśli mogę sobie pozwolić na drobną dygresję, nie mówimy tutaj o irlandzkim piwie przefiltrowanym przez ziemię okrzemkową. Niejasna pozostaje sprawa faktycznej temperatury wód powierzchniowych w czasie ochłodzeń klimatu (np. mała epoka lodowcowa). Dominujący gatunek okrzemek, pochodzący z osadu morskiego, w istocie jest gatunkiem ciepłolubnym przenoszonym przez Prąd Zachodniogrenlandzki, co daje podstawy do wniosku, że temperatura wód była wówczas podwyższona w porównaniu do okresów silnych roztopów (np. ciepły okres średniowieczny). Niemniej ten sam gatunek ma tendencję do tworzenia form przetrwalnych i okresów hibernacji, a także nie pojawia się w próbach współczesnych. Dlatego też najprawdopodobniej był on jedynie transportowany przez ów prąd, który niekoniecznie musiał być ciepły. Wystarczy, że transportował dany gatunek w stadium hibernacji, wytracając temperaturę w drodze na północ, ale pozostając nadal aktywnym. Co do tego wyjaśnienia nie mamy pewności, powinniśmy kontynuować badania.

Obecne ocieplenie klimatu, ze swym przewidywanym trendem wzrostowym, daje dużo możliwości do badań, analiz i wniosków, co pozwoli nam poszerzać horyzonty wiedzy. Współpraca międzynarodowa i będący jej efektem postęp naukowy są świetnym dowodem na to, że każde badanie naukowe może dołożyć swoją cegiełkę do zjawisk o charakterze globalnym. Dzięki temu to, czym się zajmuję, swoiste połączenie diatomologii i paleooceanologii, choć grozi połamaniem sobie języka, pozwoli mi na przyczynienie się do zrozumienia niezwykłych mechanizmów rządzących naszą planetą.