Jakich informacji dostarcza kopalny zapis historii Ziemi? Czym zajmują się paleoceanografowie? Czy naprawdę są w stanie wykonywać wiercenia w dnach oceanów? Jak odczytywać zapisane w nich dane? Na te i kilka innych pytań próbuje odpowiedzieć poniższy tekst.

Gdyby wierzyć telewizyjnym programom dokumentalnym, większość geologów stanowią paleontolodzy. Ci zaś – według tych samych źródeł – bez wyjątków są łowcami dinozaurów. Są to oczywiście uproszczenia. Geolodzy odtwarzają dzieje Ziemi na podstawie wszelkich dostępnych wskazówek. W ciągu minionego stulecia wielkiego znaczenia w geologii nabrały różnorodne metody fizyczne oraz chemiczne, dzięki którym uszczegółowiliśmy nasze wyobrażenie o przeszłości Ziemi. Nowoczesna geologia do tego stopnia przenika się z innymi ścisłymi dziedzinami wiedzy, że tę mozaikę określa się mianem nauk o Ziemi.

Geologia, zarówno ta tradycyjna, uprawiana z młotkiem w dłoni w kamieniołomie, jak i ta nowoczesna, zamknięta w laboratorium, niezbicie dowodzi, że na Ziemi wszystko podlega zmianom. Na przestrzeni milionów lat zmienia się układ lądów, oceanów i prądów morskich. Powstają i znikają pasma górskie, pojawiają się i giną całe grupy organizmów. Zmienia się także klimat.

Zmiany klimatu, co wiemy z codziennego doświadczenia, to jeden z tematów często przewijających się przez działy naukowe popularnych dzienników. Co zrozumiałe, jest to temat poruszany zwykle z naszej, ludzkiej, perspektywy. W związku z tym do dyskusji zakrada się czasem emocjonalny ton, a także brak odpowiedniego przygotowania. Jednym z aspektów uparcie pomijanych w dyskusjach jest: co mówi na ten temat zapis kopalny?

Jednym z największych odkryć XX-wiecznych nauk o Ziemi jest to, że fundamentalną rolę w kontrolowaniu ziemskiego klimatu pełni ocean oraz jego wzajemne oddziaływania z atmosferą. Dlatego jednym z żywotnych nurtów nauk o Ziemi jest paleoceanografia: nauka, która rekonstruuje procesy zachodzące w dawnych oceanach.

Bogate archiwum

W roku 1968 międzynarodowe konsorcjum Deep Sea Drilling Project (w skrócie DSDP) rozpoczęło program systematycznych wierceń w dnach mórz i oceanów na całym świecie. W ciągu minionych 43 lat, w ramach DSDP oraz jego następców, odbyło się kilkaset rejsów, podczas których statki wiertnicze wydobyły z den morskich na całym świecie tysiące kilometrów rdzeni wiertniczych.

Osady uzyskane podczas wierceń oceanicznych stanowią niezwykle bogate archiwum blisko 200 milionów lat najnowszej historii Ziemi. Profile głębokomorskie są znacznie bardziej kompletne niż zapis kopalny dostępny na lądzie. Dają one wiele możliwości precyzyjnego datowania badanych osadów oraz skorelowania ze sobą sukcesji pochodzących nawet z najdalszych od siebie zakątków globu. I choć wydobycie jednego rdzenia głębokomorskiego pochłania astronomiczne sumy, to wartość naukowa otrzymanych w ten sposób danych jest kolosalna.

„Dane” brzmią tu dość tajemniczo; jakiego rodzaju „danych” możemy poszukiwać w walcu o średnicy 10 cm i długości wielu metrów, zbudowanym z głębokomorskiego mułu? Po pierwsze – bardzo wiele mówi już sam charakter osadu: jego skład mineralny, obecność warstwowania lub jego brak itd. Po drugie – obecność skamieniałości. Warto nadmienić, że termin „skamieniałości” nie odnosi się tylko do szczątków widocznych gołym okiem. W jednej łyżeczce morskiego osadu potrafią bowiem znajdować się miliardy mikroskamieniałości. Po trzecie – mnóstwa informacji dostarczają badania geochemiczne.

Jedne z najczęściej wykonywanych badań geochemicznych to mierzenie stosunków trwałych izotopów pierwiastków zawartych w skorupkach mikroskopijnych organizmów, na przykład otwornic. Otwornice to jednokomórkowe organizmy żyjące zarówno w toni wodnej, jak i na dnie oceanu. Podczas swego życia otwornica stopniowo buduje skorupkę, na przykład wapienną, pobierając niezbędne do tego pierwiastki z wody morskiej. W ten sposób wiernie rejestruje zawartość poszczególnych izotopów w wodzie podczas swego krótkiego życia. Skład izotopowy wody morskiej z kolei ulegał w czasie geologicznym znaczącym zmianom. Tak więc zmierzenie proporcji izotopów YX oraz ZX w skorupce jednej otwornicy nie znaczy nic, ale jeśli zbierzemy odpowiednio dużo pomiarów z dłuższego odcinka rdzenia, z pewnością będziemy w stanie stwierdzić, że w pewnych poziomach skorupki otwornic są wzbogacone w cięższy, a innym razem w lżejszy izotop wybranego pierwiastka.

Z kilku ważnych powodów najczęściej w ten sposób postępuje się z izotopami tlenu oraz węgla. Zmiany w proporcjach izotopów tlenu mogą być używane w tzw. paleotermometrii, czyli do wnioskowania o zmianach temperatury oceanów w przeszłości geologicznej. Można je także interpretować jako wskaźnik obecności rozległych zlodowaceń na biegunach Ziemi. Dzięki zmianom w stosunkach izotopów węgla możemy się dowiedzieć, jak zmieniała się żyzność oceanów, a także czy w jakichś okresach występował na Ziemi wzmożony efekt cieplarniany.

Okresy cieplarniane

Ze względu na kompletność zapisu, jaki stanowią wiercenia oceaniczne, badania sukcesji osadów głębokomorskich często prowadzi się w tzw. wysokiej rozdzielczości. Oznacza to, że z wybranego wiercenia próby pobierane są bardzo gęsto, np. co 5 cm. W ten sposób odcinki czasu zawarte pomiędzy kilkoma próbami wynoszą „zaledwie” kilka tysięcy lat, co dla geologa jest naprawdę mgnieniem oka. Jeżeli w taki sposób przeanalizujemy dłuższy odcinek jakiegoś wiercenia, otrzymamy bardzo dokładny obraz zmian, jakie zachodziły w oceanie podczas depozycji osadów, które obecnie stanowią nasz rdzeń.

W ogólnym zarysie o tym, co działo się na Ziemi w ciągu ostatnich 65 mln lat wiedziano od dawna. Kenozoik – „naszą” erę – zwykło się literacko określać jako przejście Ziemi od stanu cieplarni do stanu chłodni. Zmianę tę możemy odtworzyć na podstawie elementarnej wiedzy z geografii. Jeszcze w miocenie, w dużym przybliżeniu ok. 15 mln lat temu, łukiem ciągnącym się od Rumunii przez południową Polskę po Austrię rozlewało się ciepłe morze. Klimat musiał być gorący, skoro w morzu tym tworzyły się złoża soli, znane nam dziś z Bochni lub Wieliczki. Jednak jakiś czas później, o czym wie każdy, kto choć raz spacerował po wzgórzach morenowych na Pomorzu, na półkuli północnej rozwinęło się rozległe zlodowacenie.

W ciągu minionych dwudziestu lat, w ogromnej mierze dzięki danym pochodzącym z wierceń oceanicznych, ten ogólny obraz udało się w wielkim stopniu uszczegółowić. Wyłania się zeń dynamiczna historia wielu raptownych zmian klimatu, których przyczyny są wciąż słabo poznane. Jednym z wielkich osiągnięć paleoceanografii jest zidentyfikowanie w zapisie kopalnym szeregu wydarzeń określanych z angielska mianem hyperthermals, co najrozsądniej będzie przetłumaczyć jako „okresy cieplarniane”. Największe tego rodzaju wydarzenie miało miejsce około 56 mln lat temu. Z niewiadomych przyczyn do atmosfery ziemskiej przedostała się wówczas ogromna ilość „lekkiego” izotopowo węgla, być może w postaci metanu, co w krótkim czasie doprowadziło do niezwykle silnego efektu cieplarnianego, wielokrotnie przewyższającego współczesne globalne ocieplenie. Obecnie wydaje się, że we wczesnym kenozoiku tego rodzaju raptowne i krótkotrwałe ocieplenia mogły mieć miejsce cyklicznie, co kilka milionów lat.

Od kilku lat, wspólnie z kolegami z Wielkiej Brytanii oraz Stanów Zjednoczonych, zajmujemy się wpływem wydarzeń typu hyperthermals na zespoły organizmów, które w tamtym czasie żyły w oceanie. Na przedmiot badań wybraliśmy tzw. środkowoeoceńskie optimum klimatyczne: raptowne ocieplenie klimatu, które ok. 40 mln lat temu zakłóciło na ok. 0,5 mln lat stopniowe schładzanie się Ziemi. Ściślej zaś: staramy się dociec, w jaki sposób wydarzenie to wpłynęło na zespoły mikroorganizmów, które swoje szkielety budują z krzemionki. W dzisiejszych oceanach glony o krzemionkowych szkielecikach, przede wszystkim okrzemki, są czułymi wskaźnikami warunków środowiskowych. Przy odczytywaniu zapisu kopalnego zakładamy, że 40 mln lat temu mikroorganizmy te były równie czułe na zmiany zachodzące w środowisku, jak obecnie.

Uściślanie prognoz

Praca tego rodzaju wymaga cierpliwości: jest to żmudne ślęczenie przy mikroskopie i zliczanie setek mikroskamieniałości na setkach preparatów. Wyniki, w postaci szacunkowej liczby mikroskamieniałości na gram osadu, zestawiamy z szeregiem danych geochemicznych, sedymentologicznych itd. Dopiero po przeanalizowaniu podobieństw bądź różnic pomiędzy tymi danymi możemy interpretować nasze wyniki. Interpretacja nie jest łatwa, bowiem badania paleoceanograficzne osadów starszego kenozoiku z wykorzystaniem mikroskamieniałości krzemionkowych dopiero raczkują. Niewiele wiemy o ekologii mikroorganizmów krzemionkowych, które żyły przed 40 mln lat. Ich preferencje środowiskowe, zakres temperatury bądź zasolenia, jaki tolerowały – same z siebie są przedmiotem interpretacji.

Czy wobec tego ów wysiłek się opłaca? Czy cokolwiek, oprócz niepewności, z tego wynika? Na obydwa pytania należy odpowiedzieć twierdząco. Im więcej danych zgromadzimy na temat przeszłości Ziemi, tym lepiej będziemy w stanie rozumieć skomplikowane zależności pomiędzy poszczególnymi elementami środowiska. Tym lepiej także będziemy w stanie prognozować zachowanie tego złożonego systemu w przyszłości.

W wielu pracach modelujących zmieniający się klimat powtarza się przekonanie, że globalne ocieplenie pociągnie za sobą spadek żyzności wód oceanicznych. W wodach oligotroficznych, czyli ubogich w substancje odżywcze, żyje mniej fitoplanktonu – mikroskopijnych glonów, które stanowią podstawę łańcucha pokarmowego. Mniejsze zakwity fitoplanktonu oznaczają mniejszą ilość pożywienia dla wyższych ogniw łańcucha, na przykład ryb. Konsekwencje gospodarcze takiego scenariusza to temat na osobną rozprawę.

Z naszych badań wynika z kolei, że możliwe są także reakcje odwrotne. Za przykład niech posłuży nam Wyniesienie Kergueleńskie, położone na południu Oceanu Indyjskiego. Przez większą część eocenu to podmorskie wyniesienie było oblewane przez wody oligotroficzne. Odzwierciedla to zapis kopalny, w którym nie znajdujemy zbyt wielu mikroskamieniałości krzemionkowych. Około 40 mln lat temu następuje wzrost temperatury oceanu aż o ok. 4-6°C, o czym wiemy dzięki zmianom w stosunkach izotopów tlenu. W tym samym czasie wody Oceanu Indyjskiego nad Wyniesieniem Kergueleńskim stają się o wiele żyźniejsze, o czym świadczy gwałtowny wzrost liczebności mikroorganizmów krzemionkowych, zarówno tych fotosyntetyzujących, jak i cudzożywnych. Stan taki utrzymywał się przez około 0,5 mln lat – tyle, ile trwał ów środkowoeoceński okres cieplarniany (hyperthermal).

Prace dokumentujące zmiany w żyzności oceanów, jakie zaszły w ciągu minionego stulecia, wskazują na niejednorodny charakter globalnego ocieplenia. Istnieją obszary światowego oceanu, które ulegają pustynnieniu. Istnieją jednak również takie, których wody stają się żyźniejsze wraz ze wzrostem temperatury. Nasze badania dostarczają na to dowodów z zapisu kopalnego, nagminnie ignorowanego w dyskusjach o zmianach klimatu.

Pozory niezmienności

Heraklit miał więc bez wątpienia rację: na Ziemi nie ma nic niezmiennego. Zmienia się także (a może przede wszystkim?) klimat. Większość znanych nam dziejów Ziemi możemy sprowadzić do historii zmian klimatu. O ile zatem z ludzkiej perspektywy zmieniający się klimat jest źródłem niepokoju, o tyle z perspektywy geologicznej jest to rzecz absolutnie normalna. Dzięki badaniom paleoceanograficznym poznajemy coraz pełniejszy obraz zmian klimatu w przeszłości geologicznej. Wiemy dziś, że wiele tych zmian było raptownych, i że pod względem natężenia wielokrotnie przewyższały one współczesne globalne ocieplenie.

Celem tego wywodu nie było w żadnym wypadku usprawiedliwianie destrukcyjnych działań człowieka. Mając na względzie troskę o środowisko naturalne, trzeba pamiętać o tym, że wzrost stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze po rewolucji przemysłowej z pewnością nakłada się na długofalowe przemiany zachodzące z zupełnie innych powodów. Nade wszystko zaś nie należy ulegać pozorom niezmienności.