В отложениях рифовых скелетов хранится огромный объём данных по окружающей среде за несколько тысяч лет, включая ежегодные записи температуры океана, загрязнения воды и штормовой активности
Эти массивные лепестковые кораллы [lobe corals] вида Porites lobata растут в лагуне острова Хуахине Французской Полинезии. Взятые из рифов керны с пробами кораллов из различных мест раскрыли информацию о состоянии океана тысячелетней давности
Когда над блестящей поверхностью Соломонова моря в Тихом океане наступают сумерки, Гийом Иванков [Guillaume Iwankow] надевает свою экипировку для дайвинга и спускается с исследовательской шхуны Тара в моторную лодку. Его цель – принести назад керн, пробу длиной с руку, взятую из колонии кораллов, ведущую летопись десятилетий её жизни.
Минут через 10 лодка покидает Тару, мотор сбавляет обороты. Здесь так мелко, что живущие на рифе рыбы мелькают всего в нескольких сантиметрах от поверхности. Иванков, специалист по научному дайвингу из фонда Tara Expeditions Foundation, высматривает на коралле место, где можно взять наибольший и наиболее древний пример Porites lobata – круглых, жёлто-зелёных кораллов, вырастающих часто настолько крупными, что они больше походят на содержимое черепа Годзиллы. Колонии кораллов состоят из мягкотелых животных, коралловых полипов, которые (с помощью водорослей-симбионтов) выделяют минерал карбонат кальция тонкими слоями. Со временем ежегодные слои накапливаются один над другим и превращаются в твёрдую массу, составляющую скелет коралла.
Гийом Иванков
Обнаружив идеальные Porites, Иванков вдавливает свой колонковый бур семи сантиметров диаметром в поверхность коралла. Бур с тихим гудением погружается в скелет, и облака коралловой пыли выбрасываются в окружающую воду. Проникнув через все слои кораллов, Иванков наклоняет бур туда и сюда, отрывая основание вырезанной пробы, составляющей около 40 см в длину. Он повторяет этот процесс в том же самом отверстии ещё два раза, а затем плывёт обратно и размещает в лодке полученные пробы – в сумме около 120 см длиной. Только на поверхности формации Porites находятся живые полипы, поэтому после бурения коралл должен продолжать расти на отмелях, без особых повреждений и нарушений.
Подобные морские научные экспедиции собирают всякие биологические пробы, от океанской воды и живущих на рифах рыб до микробов с кораллов. Но коралловые керны отличаются от остальных. Это органические капсулы времени, содержащие записи о местном загрязнении, геологии, температуре и здоровье рифа, протянувшиеся назад на сотни тысяч лет. Исследователи продолжают совершенствовать неожиданные методы, с помощью которых можно извлекать подобную информацию из скелетов кораллов. Климатологам, геохимикам и палеонтологам, желающим погрузиться в историю океана, всё чаще советуют: изучайте керны. «Я называю их природными книгами истории рифов», — сказала Дженис Лоу, климатолог и эксперт по коралловым кернам из Австралийского института моря. «Они могут рассказать множество историй».
Погружение в историю океана
Добыча коралловых кернов, как детективное расследование, превратилось в надёжный способ обогатить деталями и доказательствами теории о прошлых событиях – или даже просто доказать, что эти события имели место. Легко забыть, что ещё до 1970-х годов никто не был уверен, что у кораллов вообще имеются годовые кольца. Именно тогда команда геофизиков из Гавайского университета посетила атолл Эниветок на юге Тихого океана.
Эниветок был непритязательным островом с необычной историей: США испытывали там своё ядерное оружие в 1940-х и 50-х годах. Исследователи с Гавайев заинтересовались, демонстрируют ли скелеты растущих неподалёку кораллов свидетельства этой радиоактивности. Если бы в слоях кораллов содержались радиоактивные элементы с известным периодом полураспада, было бы возможно почти точно подсчитать, в какой момент появилось какое из колец. «Они взяли слой массивной колонии, поместили его на светочувствительной бумаге в тёмной комнате на месяц, и увидели наборы радиоактивных полосок», — сказала Лоу. Расстояния между полосками на бумаге говорили о том, что в скрытой структуре коралла можно было найти много других данных, поэтому требовались дополнительные испытания. «Они связались с работающим неподалёку врачом и спросили: Нельзя ли просветить наш слой кораллов на рентгене?»
Дайвер выносит на поверхность пробу коралла
После размещения слоя кораллов в рентгеновском аппарате стали заметны легко различимые годовые кольца, чередующиеся между светлым и тёмным – это было отражение плотности карбоната кальция, составлявшего скелет коралла. Датировка радиоактивных элементов скелета обнаружила, что каждый год на коралле появлялся двойной набор колец: более крупное и пористое, и более узкое и плотное. В работе 1972 года, опубликованной в журнале Science, исследователи назвали керны «коралловыми хронометрами», намекая на их полезность в качестве природных часов. С тех пор другие учёные сообщали, что кораллы откладывают более толстые годовые кольца во время влажных сезонов с умеренной температурой, и менее толстые во время сухих сезонов и более экстремальных погодных условий.
Кораллы вырастают на 0,3-10 см в год, но в среднем можно считать, что керн длиной 100 см содержит запись 100 лет истории коралла. Часто это 100 последних лет – но не всегда. Отвердевшие кораллы могут содержать последовательности годовых колец, датируемые даже последним межледниковьем, более 100 000 лет назад. Для оценки относительной плотности годовых колец, отражающей климатические условия в момент их появления, до сих пор используются рентгеновские снимки. Но океанографы в процессе работы постоянно открывают всё новые полезные свойства коралловых кернов.
Одна из самых богатых историй, содержащихся в данных керна – это ежегодные записи следов содержащихся в океанской воде химических элементов. Коралловые полипы процеживают океанскую воду, чтобы извлекать из неё материалы для строительства скелетов, поэтому в каждом слое содержится крохотное количество того, что было в воде в момент создания этого слоя. И хотя коралловые годовые кольца «из-за сложной внутренней формы скелета не такие чёткие и аккуратные, как годовые кольца деревьев», — говорит Грегори Уэбб, палеонтолог из Квинслендского университета, «они реально записывают химию воды, в которой растут».
Изучение состава коралловых кернов позволяет учёным строить графики различных веществ, содержавшихся в океане в разные года. Это может дать информацию по планетарным процессам, которые вроде бы не имеют ничего общего с ростом кораллов. Океанографы из китайской лаборатории рассчитали силу восточноазиатских зимних муссонов за последние 150 лет, измеряя уровни таких редкоземельных элементов, как лантан и церий, в каждом слое коралловых кернов Porites. Эти редкоземельные элементы берутся из пылевых водоворотов, возникающих во время зимних штормов, поэтому процент содержания элементов – надёжный показатель интенсивность шторма.
Фото Porites lobata крупным планом показывает крохотные группы торчащих щупалец коралловых полипов.
Точно так же тесты коралловых кернов раскрывают исторические свидетельства загрязнения океана человеком, куда как более детальные, чем любые другие. Лоу с коллегами берёт пробы с Большого барьерного рифа и проверят слои на уровень токсичных металлов, таких, как свинец и кадмий, часто выбрасываемых промышленными предприятиями. Строители могли построить порт, сбросить осадочные породы на коралловый риф, и утверждать, что их вмешательство не повлияло на океан – но, как указала Лоу, «коралловые керны – непредвзятые наблюдатели, отслеживающие изменение окружающей среды».
Коралловые керны также выдают одни из немногих надёжных записей состояния температуры океана в годы, предшествующие началу ведения записей человеком. Когда вода холоднее, кораллы используют больше стронция, добавляя его к карбонату кальция, используемого для создания скелетов. Подсчитав процент отношения количества кальция к стронцию в каждом уровне керна, можно определить, какой была температура океана при появлении этого слоя.
Используя эту технологию на коралловых кернах из тропических вод Тихого океана близ Галапагосских островов, геолог Глория Хименез из Аризонского университета с коллегами недавно создали детальное описание изменений температуры воды с 1940 по 2010 года. До этого записи температур воды не отличались регулярностью, и говорили о том, что потепление воды океана было ограничено из-за холодных глубинных течений. Но данные с коралловых кернов Хименез говорят о другом: вода в этом регионе теплеет с 1970-х, а в 80-х наблюдался всплеск, когда мимо прошли тёплые течения Эль-Ниньо. Эта тенденция к постепенному потеплению означает, что рифы близ Галапагосов могут находиться в большей опасности, чем считалось ранее.
Под современными формациями кораллов, которые изучает Хименез, находится кладезь других данных, хранящихся в окаменелых кораллах. В зависимости от сохранности, керны таких кораллов могут позволить исследователям расширить температурные записи до 100 000 лет в прошлое. У Уэбба есть специальное исследовательское судно D Hill, на котором установлена буровая платформа, способная извлекать керны из древних наслоений, находящихся под Большим барьерным рифом.
После того, как Уэбб с командой извлекают керны коралловых окаменелостей, они могут определить их возраст при помощи уран-ториевого датирования. Масс-спектрометр показывает, сколько остаточного урана в слоях керна распалось, образовав торий, и отношение двух этих элементов используется для подсчёта примерного возраста каждого слоя. Как Хименез, Уэбб использует отношение стронция к кальцию для подсчёта температуры океана во время появления каждой полоски, и он использует свои ископаемые керны для отслеживания содержания химических элементов в доисторических водах. «Мы смогли добыть керны, отвечающие за весь голоцен», сказал Уэбб, имея в виду текущую геологическую эпоху, начавшуюся 12 000 лет назад. «мы можем сравнивать климат и качество воды в районе одного и того же рифа, в том же самом месте, но разделённые 100 000 лет».
Данные с ископаемых также дают новые свидетельства древних геологических процессов. Во время недавнего плавания к рифу Херона, участку Большого барьерного рифа, находящемуся у берегов Австралии, они с командой столкнулись с проблемой. Их установка может вгрызаться в дно на 30 метров, и однажды они подсчитали, что вскоре они должны добраться до слоёв, появившихся в последний межледниковый период плейстоцена, более 100 000 лет назад. Но они так и не добрались до него. «Мы думали, что где-то на 15 метрах мы войдём в плейстоцен, — вспоминает Уэбб. – Мы делали ставки на то, на какой глубине мы его найдём – кто-то поставил на 12, кто-то на 14. А потом вдруг мы оказались на 22 метрах, и так и не достали. Мы просто вгрызлись во впадину, и никто этого не ожидал».
Коралловые рифы становятся центрами живой морской экосистемы, поэтому их будущее перед лицом окисления океана вызывает серьёзные опасения
Оказалось, что в коралловом керне содержался слой, датируемый последним ледниковым периодом, когда уровень моря был на 130 метров ниже, и весь Большой барьерный риф находился над водой. Ветер, дожди и текущая вода вымыли открывшийся известняк и образовали глубокую расщелину, окружённую высокими, крутыми и неровными холмами. Когда уровень моря вновь поднялся, течения и волны заполнили погружённую долину частицами осадочных пород, и это место стало основой для новых коралловых рифов. Это открытие помогло учёным заключить, что форма современных рифов не определяется обычно формой предыдущих рифов или геологических структурах, на которых они растут, как считалось ранее. Накопление осадочных пород может скрыть контуры старых структур, и обеспечить плоскую поверхность, на которой смогут расти новые рифы. А самые высокие точки рифов могут располагаться на такой высоте, которую позволит уровень моря, а значит, вверху они тоже становятся плоскими.
Движения морской воды всегда играли основную роль в формировании этих уникальных экосистем – лишнее подтверждение этому приводится в новой работе, опубликованной в Nature Geoscience. Джоди Уэбстер из Сиднейского университета, Брайан Лоухид из Института Пьер-Симона Лапласа во Франции, и их коллеги извлекли множество различных древних коралловых кернов из-под Большого барьерного рифа. Анализ скелетной материи и отложений в кернах показал, что изменения уровня моря за последние 30 000 лет убивали части рифа пять раз – иногда, когда рифы оказывались на воздухе, иногда, когда отложения в повышающейся воде блокировали свет, доходящий до рифа. Но в каждом случае риф заново вырастал, поскольку на нём оказывались полипы с других рифов, и его живые коралловые формации со временем перемещались туда, где были наилучшие условия по воде и освещению.
Уникальное строение каждого кораллового слоя в керне также даёт намёки на другие проблемы, с которыми сталкивался коралл при формировании – случалось ли это десятки лет назад, или тысячи. К примеру, когда океан повышает кислотность из-за растворения содержащегося в атмосфере углекислого газа, кораллы полностью меняют привычки, связанные с ростом, как писали в прошлом году в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences исследователи Океанографического института Вудс-Хоул.
Три среза керна демонстрируют сложную систему годовых колец, показывающих, как кораллы на рифе реагировали на изменение окружающей среды. Данные образцы подсвечены ультрафиолетом, что позволяет получить определённую информацию об их химическом составе.
Команда океанологов из Вудс-Хоул, включая аспиранта Натаниэля Моллика и геолога Анну Коэн, проанализировала пробы современных коралловых кернов Porites, взятые близ Панамы, Палау, Тайваня и атолла Донша в Южнокитайском море. Они разместили все керны в аппарате для компьютерной томографии – особом рентгеновском устройстве, способном раскрыть детали роста и изменения плотности внутри коралла.
Сравнивая эти записи из коралловых кернов с пробами воды, взятыми на каждом из мест, учёные продемонстрировали, что высокая кислотность океана в прошлые эпохи привела к появлению определённых структурных аномалий. Кораллы в более кислых водах растут примерно с той же скоростью, но структура таких кораллов оказывается совсем другой – в них появляются пробелы, похожие на пузыри в блинном тесте. Это происходит оттого, что после растворения в воде двуокись углерода соединяется со свободными ионами карбонатов. В результате коралловым полипам остаётся меньше ионов, и у них не получается производить так много карбоната кальция, как им необходимо.
Со временем этот дефицит приводит к появлению более тонких и пористых коралловых скелетов. «Мы, по сути, видим пустоты и пузыри внутри», — сказал Вейфу Гуо, геохимик из команды. Такие хрупкие скелеты с большей вероятностью будут осыпаться в результате штормов и ударов волн – а это, в свою очередь, угрожает другим формам жизни на рифе, включая водоросли, выращивающие питание для кораллов, и рыбу, пропитание которой от них зависит.
Моделирование будущего океана
Такие наблюдения за коралловыми кернами заполняют пробелы в знаниях о планетарной и океанской динамике, а также помогают исследователям предсказывать, как будущие стрессы повлияют на рифы. Исследователи из Вудс-Хоул, сравнив полученные из кернов данные с предсказанным увеличением кислотности океана, происходящим из-за изменений климата, заключили, что плотность коралловых скелетов по всему миру к 2100 году, вероятно, уменьшится на 20%. Это предсказание подчёркивает подверженность будущих рифов повреждениям при физическом воздействии.
Дженис Лоу
Более того, долгосрочные записи, хранящиеся в коралловых кернах, показывают, насколько быстро рифы вырастают и адаптируются к загрязнениям и потеплению океана – это особенно важно, учитывая схожие современные тренды. «Нам нужны исторические записи поведения рифов, происходивших изменений и их реакции на эти изменения. Это даёт нам лучшее понимание того, с чем мы можем столкнуться, — сказал Уэбб. – Поразительно, сколько всего мы сможем сделать, связав все эти записи вместе.
Накопленные знания уже помогают исследователям подправлять предсказательные модели глобального климата, что, по словам Лоу, поможет выработать стратегии сохранения рифов. „Модели глобального климата не идеальны – они постоянно подстраиваются. Записи из кораллов предоставляют свидетельства из прошлого, которые могут пригодиться этим моделям“.
Ощутимая часть финансирования исследований тратится на документирование экологии современных рифов, а на пробы их прошлого остаётся очень мало. Но для того, чтобы составить точные оценки истории и современного состояния океанов, как считают Уэбб, Гуо и другие, необходимо будет взять больше коралловых кернов, чтобы охватить больший промежуток по времени. „С более крупной коллекцией не придётся основывать ваши рассуждения на примере единственного коралла, — сказал Гуо. – Можно будет более уверенно рассказывать историю “.
Давняя цель Иванкова – внести свою лепту в это разворачивающуюся историю. После того, как его моторная лодка – уже загруженная пробами из рифа – пристаёт обратно к Таре, он размещает сегменты кернов на палубе и раскладывает на рабочем столе для просушки. После прибытия в порт десятки кернов, собранных Иванковым с разных мест Тихого океана, будут отправлены во французский Национальный центр научных исследований и в Научный центр Монако.
С помощью данных, полученных из этих кернов, исследователи соберут детальный портрет океанской экосистемы и взаимодействия его компонентов. „Мы собираем пробы всей окружающей среды колонии, — сказал Иванков. – Кораллы, вода, рыбы – мы берём всё и составляем общую картину“. Тысячелетиями кораллы, клетка за клеткой, откладывали свидетельства здоровья и изменений живых систем целиком. Теперь судьба этих систем может придать нам возможность расшифровать скрытые записи, содержащиеся в этих скелетах.
