Twoja wyszukiwarka

JAN WĘSŁAWSKI
OCEANY ZIMNE, OCEANY CIEPŁE
Wiedza i Życie nr 1/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 1/1997

SKAMIENIAŁOŚCI NA GRENLANDII DOWODZĄ, ŻE W CZASIE, GDY WYSPA TA ZAJMOWAŁA JUŻ OBECNE POŁOŻENIE, PORASTAŁY JĄ BUJNE, TROPIKALNE LASY. JAK BYŁO TO MOŻLIWE W WARUNKACH TRWAJĄCEJ PÓŁ ROKU NOCY POLARNEJ?

Fot. Archiwum

Wiele osób sądzi, że morza tropikalne tętnią życiem, morza północne zaś są polarną pustynią. Przekonanie to wynika z badań taksonomicznych nad morską fauną. Nie potwierdzają go jednak najnowsze badania produktywności, czyli ilości węgla organicznego, wytwarzanego przez morskie systemy. Okazuje się, że najmniej produktywne obszary leżą właśnie w rejonie tropików, a prawdziwe fabryki morskie to rejony polarne. Od kilku lat różne ośrodki badawcze (m.in. Plymouth Marine Laboratory w Wielkiej Brytanii) prowadzą nowatorskie badania mające wyjaśnić istotę różnic pomiędzy morskimi ekosystemami w tropikach, strefie umiarkowanej i polarnej. Ich wyniki pomogą odpowiedzieć na zasadnicze pytanie: jak światowy ocean reaguje na zmiany klimatu?

Prekursorem tych badań jest prof. Gotfried Hopner Petersen z Uniwersytetu w Kopenhadze, jeden z najbardziej znanych i zasłużonych duńskich biologów morza. Do jego największych osiągnięć należą badania mięczaków, które żyły w okolicach Grenlandii w okresie trzeciorzędu oraz porównanie systemu przepływu energii w różnych ekosystemach morskich. Właśnie podczas prac poświęconych bioenergetyce prof. Gotfried H. Petersen zauważył niezgodność obserwowanych dziś procesów z ich skamieniałymi śladami z dalekiej przeszłości.

Czym poza rafami koralowymi różnią się wody przybrzeżne (szelfowe) oceanów ciepłych i zimnych? Żyją w nich różne organizmy, ale także inny jest przepływ energii w łańcuchu pokarmowym. Podstawą życia w ekosystemie morskim, podobnie jak w lądowym, jest światło słoneczne. Rośliny, głównie jednokomórkowy plankton, wykorzystują je w procesie fotosyntezy. Przyrost masy, będący wynikiem tego procesu, nosi nazwę produkcji pierwotnej. "Pasący się" na fitoplanktonie roślinożercy przerabiają na własną masę około 1/10 produkcji pierwotnej. Jest to produkcja wtórna. Drapieżniki zjadające roślinożerców i drapieżniki zjadające inne drapieżniki to kolejne piętra piramidy pokarmowej. Na każdym z nich tracona jest pewna ilość energii.

Właśnie Petersen stworzył powszechnie akceptowany dziś model funkcjonowania płytkowodnych ekosystemów morskich. W wodach szelfu tropikalnego energia przepływa poziomo (ryc. 1b). Jednokomórkowe glony (fitoplankton) fotosyntetyzują przez cały rok. Powstająca w tym procesie produkcja pierwotna jest niemal w całości wykorzystywana przez drobne zwierzęta unoszące się w toni, zwane zooplanktonem, ten zaś stanowi pokarm ryb pelagicznych. Kolejne ogniwa piramidy pokarmowej to duże ryby, na przykład makrelowate, delfiny i ptaki żerujące na powierzchni morza. Fauna denna, czyli bentos, reprezentowana jest głównie przez koralowce i zwierzęta głęboko ryjące w osadzie (infaunę).

Ryc. 1. Schemat funkcjonowania płytkowodnych ekosystemów w Arktyce i w tropikach. W Arktyce, od połowy sierpnia Słońce nie zachodzi. Morskie glony fotosyntezują najefektywniej w pierwszej połowie półrocznego okresu obfitości światła. Po 3 miesiącach nieprzerwanego dnia fitoplankton wyczerpuje sole biogenne i fotosynteza zostaje przerwana. W obszarach klimatu tropikalnego i umiarkowanego fotosynteza trwa przez cały dzień i po nocnej przerwie zostaje wznowiona z równą intesywnością

W szelfie rejonów polarnych zaś energia przepływa pionowo (ryc. 1a). Fitoplankton rozwija się masowo, ale tylko przez krótki czas - na wiosnę. Blisko 90% tych drobnych organizmów opada na dno, a zooplankton wykorzystuje znikomą ich cześć. Obfitość organizmów planktonowych w górnych warstwach wód jest tak krótkotrwała, że niewiele tu żywiących się nimi ryb pelgicznych i ptaków, brakuje także delfinów.

Ich miejsce zajmują ryby żerujące przy dnie: płastugi, dorszowate, węgorzycowate i głowaczowate. Z "deszczu" pokarmu korzystają różnorodne organizmy bentosowe. Szczególnie dużo jest tu gatunków mułożernych i żyjących na powierzchni osadu dennego (epifauna). One natomiat są pokarmem morsów, fok brodatych i kaczek.

Głównym powodem opisanych różnic nie jest temperatura wody, choć w tropikach morze ma blisko 27o C, a w rejonach polarnych 0o C. Czynnikiem determinującym pelagiczny lub bentosowy kierunek przepływu energii jest długość sezonu wegetacyjnego. Wody tropikalne otrzymują energię słoneczną, w równych, codziennych porcjach przez cały rok. Fitoplankton, rozwija się więc równomiernie, z minimalnymi wahaniami sezonowymi. Wolniej rozwijający się zooplankton znajduje dość pokarmu o dowolnej porze roku.

W wodach polarnych, od połowy kwietnia do połowy sierpnia, przez całą dobę nie zachodzi słońce, od listopada do lutego panuje noc polarna. Sezon wegetacyjny trwa w wodach przybrzeżnych Arktyki zaledwie od końca kwietnia do czerwca. Krótkotrwałość zakwitu fitoplanktonu jest rekompensowana jego intensywnością. Zooplankton musi "zdążyć" na krótki okres obfitości pokarmu, który powtórzy się dopiero następnej wiosny.

W rozwoju wielu gatunków fauny dennej pojawia się stadium larwy pelagicznej. Larwy te mają różnorodne kształty i funkcje. Liczne gatunki arktyczne nie przechodzą przez to stadium, a jeśli się ono pojawia to w postaci tzw. larwy lecitotrofowej - dużej, wolno rosnącej, z zapasem substancji tłuszczowych. Dzięki temu zapasowi zwierzę może przetrwać głód w okresie nocy polarnej. W tropikach dominuje planktonotrofowy typ - małe, szybko rosnące, bez materiałów zapasowych (ryc. 2). Te i inne przystosowania organizmów arktycznych pozwalają im przetrwać głód, nie są jednak przystosowaniami do niskiej temperatury.

Ryc. 2. Larwy szkarłupni w tropikach i w Arktyce. Larwa planktonotrofowa (u góry) szybko rośnie, nie ma materiałów zapasowych; larwa lecitotrofowa (na dole) rośnie wolniej, ma zapas substancji tłuszczowych

Prawdziwość tych wniosków potwierdziły polskie badania prowadzone ostatnio na Ziemi Franciszka Józefa - arktycznym archipelagu położonym na 80 równoleżniku, gdzie temperatura wody morskiej nigdy nie przekracza -1o C. Cykle życiowe fauny tego rejonu były identyczne z obserwowanymi na wybrzeżach Spitsbergenu, omywanego ciepłym prądem atlantyckim, gdzie latem wody powierzchniowe mają do +12o C. Oba porównywane obszary leżą na tej samej szerokości geograficznej. O ich podobieństwie decyduje cykl nocy i dnia polarnego. Tak więc światło, czyli długość okresu produktywności fitoplanktonu, a nie temperatura, jest głównym czynnikiem, który określa funkcjonowanie morskich ekosystemów w różnych strefach klimatycznych.

Petersen, a wcześniej także inni badacze, odkrył na północnej Grenlandii liczne dowody istnienia tropikalnego morza szelfowego we wczesnym trzeciorzędzie. Podobne ślady (złoża węgla, ropy naftowej, pozostałości raf koralowych i typowo tropikalnych zespołów fauny morskiej) odkryto na Spitsbergenie i na innych obszarach arktycznych. Nie ma w tym, na razie, nic dziwnego. W erze mezozoicznej Grenlandia leżała o wiele dalej na południe niż obecnie - nad ciepłym, płytkim Morzem Tetydy (ryc. 3). Jak wykazują badania paleomagnetyczne, północna Grenlandia i Spitsbergen znalazły się w pobliżu bieguna północnego albo w późnej kredzie, albo na początku trzeciorzędu. Dopiero od tego czasu obszary te pozostały w strefie wysokich szerokości geograficznych.

Wiemy już, że czapy lodowe i zimne okresy były zaledwie epizodami w długiej historii Ziemi. Obecny klimat panuje w Arktyce nie dłużej niż 2-4 mln lat, a stała pokrywa lodowa ma prawdopodobnie nie więcej niż 700 tys lat. Tak więc, pochodzące sprzed 50-20 mln lat lasy tropikalne na północnej Grenlandii i ławice tropikalnych małży nie przeczą naszej wiedzy o ewolucji klimatu. Gdyby sprawa dotyczyła jurajskiego Morza Tetydy wszystko zgadzałoby się. W jurze Grenlandia leżała na mniej więcej 20-40 równoleżniku. Ale znaleziska, które wzbudziły niepokój Petersena, powstały we wczesnym trzeciorzędzie na 70-80 stopniu szerokości geograficznej północnej, czyli w obszarze typowego polarnego oświetlenia.

Jak tropikalne dżungle mogły rosnąć w czasie nocy polarnej? Jak płytkie, ciepłe morze, mogło zostawić osady świadczące o pelagicznym przepływie energii, skoro światło docierało tam w półrocznych, a nie półdobowych, cyklach?

Pytania postawione przez Petersena nie były niczym nowym. Uczeni stawiali je sobie co najmniej od XVII wieku, znajdując pozostałości tropikalnej fauny i flory w Europie Północnej. Uznanie, na początku XX wieku, teorii dryfu kontynentów i odkrycie "młodości" zimnego klimatu zdawały się rozstrzygać wątpliwości. Współczesna wiedza o dryfie kontynentów określa jednak dość jednoznacznie położenie Grenlandii w trzeciorzędzie, a ekologia morza definiuje zasady funkcjonowania ekosystemów płytkich mórz. Wynika z tego, że na 70o szerokości geograficznej, nawet w ciepłym morzu, fotosynteza nie mogła się odbywać w cyklu całorocznym. Trudno sobie też wyobrazić tropikalną roślinność zamierającą na okres nocy polarnej.

Ryc. 3. Zmiany położenia Grenlandii w czasie ostatnich 300 mln lat

Noc to nie tylko ciemność, ale i obniżenie temperatury. I tu trafiamy na następną zagadkę - uwarstwienia - czyli stratyfikacji oceanu. Ciepłe morza mezozoiczne i wczesnotrzeciorzędowe miały termiczny układ dzisiejszych jezior tropikalnych - bardzo ciepłe na powierzchni i stopniowo ochładzające się wraz ze wzrostem głębokości. Przy dnie brakowało tlenu, a mieszanie pionowe wód było niewielkie. Prawdopodobnie stratyfikacja oceanu powstała dopiero po plejstoceńskich zlodowaceniach, kiedy w Arktyce został uruchomiony "silnik" napędzający globalną cyrkulację oceaniczną. Obecnie pod Spitsbergenem ciepłe wody atlantyckie wpływają na obszar zimnego klimatu. Tam oziębiają się, uzyskują większą gęstość i opadają na dno. W ten sposób tworzy się dwuwarstwowy system wód oceanicznych, z zimnymi, dobrze natlenionymi wodami dennymi. Dlaczego w trzeciorzędzie ciepły wówczas ocean polarny nie generował dwuwarstwowej stratyfikacji? Przecież w czasie kenozoicznej nocy polarnej, nawet w ciepłym klimacie, musiało zachodzić ochładzanie ogromnej powierzchni wolnego od lodu morza arktycznego, a to, podobnie jak współcześnie, powodowałoby zapewne zapadanie się zimnych wód w głąb.

Zagadkowe jest także to, że większość typowo arktycznych gatunków pojawiła się we wczesnym trzeciorzędzie. Zmiana temperatury morza w kredzie od +15o C i w plejstocenie do +2o C trwała kilkadziesiąt milionów lat. To aż za dużo czasu na wytworzenie niezbyt skomplikowanych przystosowań fizjologicznych, potrzebnych do przetrwania takiej zmiany. Dlaczego Arktyki nie skolonizowały przystosowane do nowych warunków formy subtropikalne? Istnieje wiele gatunków występujących z jednakowym powodzeniem w gorących (+28o C) i chłodnych (+14o C) wodach okołorównikowych, toteż gdyby chodziło tylko o zmianę temperatury byłoby to możliwe. Jak pogodzić te fakty z aktualizmem - podstawowym założeniem paleontologii, a w dużym stopniu także ewolucjonizmu - że obserwowane dziś procesy zachodziły również w przeszłości według tych samych reguł?

Zagadka pozostaje do rozwiązania!

Doc. dr hab. JAN MARCIN WĘSŁAWSKI jest kierownikiem Zakładu Ekologii Morza w Instytucie Oceanologii PAN w Sopocie.