تحتفظ الشعاب المرجانية بأسرار ماضي ومستقبل المحيطات

تحتوي رواسب الهياكل العظمية للشعاب المرجانية على كمية هائلة من البيانات البيئية لعدة آلاف من السنين ، بما في ذلك السجلات السنوية لدرجة حرارة المحيط وتلوث المياه ونشاط العواصف

تنمو هذه الشعاب المرجانية الضخمة [الشعاب المرجانية] من الأنواع Porites lobata في بحيرة جزيرة هوا هين ، بولينيزيا الفرنسية. كشفت العينات الأساسية المأخوذة من الشعاب مع عينات من الشعاب المرجانية من أماكن مختلفة معلومات عن حالة المحيط منذ آلاف السنين

عندما يغمس الغسق فوق السطح المتلألئ لبحر سليمان في المحيط الهادئ ، يضع غيوم إيوانكو معدات الغوص الخاصة به وينحدر من الباحث البحثي تارا إلى قارب بمحرك. هدفه هو إعادة القلب ، عينة طول اليد المأخوذة من مستعمرة من الشعاب المرجانية ، تقود حوليات عقود من حياتها.

بعد 10 دقائق ، يغادر القارب تارا ، ويتباطأ المحرك. إنها صغيرة جدًا لدرجة أن الأسماك التي تعيش على الشعاب المرجانية تومض على بعد بضعة سنتيمترات من السطح. يبحث إيفانكوف ، المتخصص في الغوص العلمي في مؤسسة Tara Expeditions ، عن مكان على المرجان حيث يمكنك أخذ أكبر وأقدم مثال على Porites lobata - الشعاب المرجانية الصفراء والخضراء التي غالبًا ما تنمو بشكل كبير لدرجة أنها تبدو أشبه بمحتويات جمجمة Godzilla. تتكون المستعمرات المرجانية من الحيوانات ذات الجسم اللين ، الاورام الحميدة المرجانية التي تفرز (باستخدام الطحالب التكافلية) كربونات الكالسيوم المعدنية في طبقات رقيقة. بمرور الوقت ، تتراكم الطبقات السنوية واحدة فوق الأخرى وتتحول إلى كتلة صلبة تشكل الهيكل العظمي المرجاني.


غيوم إيفانكوف

بعد اكتشاف البوريتس المثالي ، يضغط إيفانكوف على حفره الأساسية بقطر سبعة سنتيمترات في سطح المرجان. قرع الطبول مع طنين هادئ في الهيكل العظمي ، وسحب الغبار من المرجان في المياه المحيطة. من خلال اختراق جميع طبقات المرجان ، يميل إيفانكوف الحفر هنا وهناك ، ويمزق قاعدة العينة المقطوعة ، والتي يبلغ طولها حوالي 40 سم. يكرر هذه العملية في نفس الحفرة مرتين أخريين ، ثم يطفو مرة أخرى ويضع العينات التي تم الحصول عليها في القارب - يبلغ مجموعها حوالي 120 سم. تم العثور على الاورام الحميدة فقط على سطح تكوين Porites ، وبالتالي ، بعد الحفر ، يجب أن يستمر المرجان في النمو على الضحلة ، دون أي ضرر أو اضطراب معين.

تجمع هذه البعثات العلمية البحرية جميع أنواع العينات البيولوجية ، من مياه المحيطات والأسماك التي تعيش على الشعاب المرجانية إلى الميكروبات من الشعاب المرجانية. لكن النوى المرجانية تختلف عن البقية. هذه كبسولات زمنية عضوية تحتوي على سجلات التلوث المحلي والجيولوجيا ودرجة الحرارة وصحة الشعاب المرجانية ، وتمتد إلى مئات الآلاف من السنين. يواصل الباحثون تحسين الطرق غير المتوقعة التي يمكن من خلالها استخراج هذه المعلومات من الهياكل العظمية المرجانية. ينصح علماء المناخ والجيوكيميائيون وعلماء الحفريات الذين يرغبون في الانغماس في تاريخ المحيط بشكل متزايد: دراسة العينات الأساسية. قالت جانيس لوي ، عالمة المناخ وخبيرة الشعاب المرجانية بالمعهد الأسترالي للبحر: "أسميهم كتب تاريخ الشعاب المرجانية الطبيعية". "يمكنهم أن يروا العديد من القصص."

الغمر في تاريخ المحيط

أصبح تعدين قلب المرجان ، كتحقيق بوليسي ، طريقة موثوقة لإثراء نظرية الأحداث الماضية بالتفاصيل والأدلة - أو حتى إثبات أن هذه الأحداث حدثت. من السهل أن ننسى أنه قبل السبعينيات ، لم يكن أحد متأكدًا من أن الشعاب المرجانية لديها حلقات سنوية بشكل عام. ثم قام فريق من الجيوفيزيائيين من جامعة هاواي بزيارة Eniwetok Atoll في جنوب المحيط الهادئ.

كانت إنيفيتوك جزيرة متواضعة ذات تاريخ غير عادي: لقد اختبرت الولايات المتحدة أسلحتها النووية هناك في أربعينيات وخمسينيات القرن الماضي. تساءل باحثون من هاواي عما إذا كانت الهياكل العظمية للشعاب المرجانية القريبة تُظهر دليلاً على هذا النشاط الإشعاعي. إذا احتوت الطبقات المرجانية على عناصر مشعة ذات عمر نصف معروف ، فسيكون من الممكن إجراء حساب دقيق تقريبًا عند أي نقطة ظهرت الحلقة. قال لوي: "لقد أخذوا طبقة من مستعمرة ضخمة ، ووضعوها على ورق حساس للضوء في غرفة مظلمة لمدة شهر ، ورأوا مجموعات من الشرائط المشعة". تشير المسافات بين الشرائط على الورقة إلى أنه يمكن العثور على الكثير من البيانات الأخرى في بنية المرجان المخفية ، لذلك كانت هناك حاجة إلى اختبارات إضافية. "اتصلوا بطبيب قريب وسألوا: هل من الممكن تنوير الطبقة المرجانية على الأشعة السينية؟"


يجلب الغواص إلى السطح عينة من المرجان

بعد وضع الطبقة المرجانية في جهاز الأشعة السينية ، أصبحت الحلقات السنوية التي يمكن تمييزها بسهولة والتي تتناوب بين الضوء والظلام مرئية - وهذا انعكاس لكثافة كربونات الكالسيوم ، التي تكونت الهيكل العظمي المرجاني. كشف تاريخ العناصر المشعة للهيكل العظمي أنه في كل عام تظهر مجموعة مزدوجة من الحلقات على المرجان: أكبر وأكثر مسامية ، وأضيق وأكثر كثافة. في ورقة عام 1972 نشرت في مجلة ساينس العلمية ، أطلق الباحثون على النوى "كرونومتر المرجان" ، ملمحين إلى فائدتها كساعة طبيعية. ومنذ ذلك الحين ، أفاد علماء آخرون أن الشعاب المرجانية تودع حلقات سنوية أكثر سمكًا خلال المواسم الرطبة بدرجات حرارة معتدلة ، وأقل سمكًا خلال مواسم الجفاف وظروف الطقس الأكثر تطرفًا.

تنمو الشعاب المرجانية بمعدل 0.3-10 سم في السنة ، ولكن في المتوسط ​​يمكن اعتبار أن نواة طولها 100 سم تحتوي على سجل 100 عام من تاريخ الشعاب المرجانية. غالبًا ما تكون هذه هي السنوات المائة الأخيرة - ولكن ليس دائمًا. قد تحتوي الشعاب المرجانية المتصلدة على سلاسل من الحلقات السنوية التي يعود تاريخها إلى الفترة بين الجليدية الأخيرة ، منذ أكثر من 100000 عام. لتقييم الكثافة النسبية للحلقات السنوية ، والتي تعكس الظروف المناخية في وقت ظهورها ، لا تزال الأشعة السينية مستخدمة. لكن علماء المحيطات يكتشفون باستمرار خصائص مفيدة جديدة للنوى المرجانية في عملية العمل.

واحدة من أغنى القصص الواردة في البيانات الأساسية هي السجلات السنوية لآثار العناصر الكيميائية الموجودة في مياه المحيطات. تقوم الاورام الحميدة المرجانية بتصفية مياه المحيط لاستخراج المواد منها لبناء هياكل عظمية ، لذلك تحتوي كل طبقة على كمية صغيرة من ما كان في الماء في وقت إنشاء هذه الطبقة. وعلى الرغم من أن الحلقات السنوية المرجانية "بسبب الشكل الداخلي المعقد للهيكل العظمي ليست واضحة وأنيقة مثل الحلقات السنوية للأشجار ،" يقول غريغوري ويب ، عالم الحفريات في جامعة كوينزلاند ، "إنها تسجل حقًا كيمياء الماء الذي تنمو فيه".

تسمح دراسة تكوين النوى المرجانية للعلماء ببناء قطع من المواد المختلفة الموجودة في المحيط في سنوات مختلفة. يمكن أن يوفر هذا معلومات حول العمليات الكوكبية التي يبدو أنها لا علاقة لها بنمو المرجان. قام أخصائيو علم المحيطات من مختبر صيني بحساب قوة الرياح الموسمية الشتوية في شرق آسيا على مدى 150 عامًا من خلال قياس مستويات العناصر الأرضية النادرة مثل اللانثانم والسيريوم في كل طبقة من لب الشعاب المرجانية. هذه العناصر الأرضية النادرة مأخوذة من دوامات مغبرة تحدث خلال العواصف الشتوية ، لذا فإن نسبة العناصر هي مؤشر موثوق لشدة العاصفة.


تظهر صورة مقربة من Porites lobata مجموعات صغيرة من مخالب بارزة من الاورام الحميدة المرجانية.

وبالمثل ، تكشف اختبارات القلب المرجانية عن أدلة تاريخية على تلوث الإنسان للمحيطات ، أكثر تفصيلاً من أي شيء آخر. يأخذ لوي وزملاؤه عينات من الحاجز المرجاني العظيم ويختبرون الطبقات بحثًا عن المعادن السامة مثل الرصاص والكادميوم ، والتي غالبًا ما تنبعث من المنشآت الصناعية. يمكن للبنائين بناء ميناء ، وإلقاء الصخور الرسوبية على الشعاب المرجانية ، وادعاء أن تدخلهم لم يؤثر على المحيط - ولكن ، كما أشار لوي ، "النوى المرجانية هي مراقبون غير متحيزين يراقبون التغير البيئي".

توفر النوى المرجانية أيضًا واحدة من السجلات القليلة الموثوقة لدرجة حرارة المحيط في السنوات التي سبقت بدء السجلات البشرية. عندما يكون الماء أكثر برودة ، تستخدم الشعاب المرجانية المزيد من السترونتيوم ، وتضيفه إلى كربونات الكالسيوم المستخدمة في صنع الهياكل العظمية. من خلال حساب النسبة المئوية لنسبة الكالسيوم إلى السترونتيوم في كل مستوى أساسي ، يمكنك تحديد درجة حرارة المحيط عندما ظهرت هذه الطبقة.

باستخدام هذه التكنولوجيا على النوى المرجانية من المياه الاستوائية للمحيط الهادئ بالقرب من جزر غالاباغوس ، أنشأت الجيولوجية جلوريا جيمينيز من جامعة أريزونا وزملاؤها وصفًا تفصيليًا للتغيرات في درجة حرارة المياه من 1940 إلى 2010. قبل ذلك ، لم تكن سجلات درجات حرارة المياه تختلف في الانتظام ، وقيل أن ارتفاع درجة حرارة مياه المحيط كان محدودًا بسبب التيارات العميقة الباردة. لكن البيانات من النوى المرجانية لجيمينيز تتحدث بشكل مختلف: الماء يسخن في هذه المنطقة منذ السبعينيات ، وفي الثمانينيات كان هناك ارتفاع عندما مرت تيارات النينيو الدافئة. هذا الاتجاه نحو الاحترار التدريجي يعني أن الشعاب المرجانية بالقرب من جزر غالاباغوس قد تكون في خطر أكبر مما كان يعتقد في السابق.

تحت التكوينات المرجانية الحديثة التي يدرسها Jimenez ، هناك مخزن للبيانات الأخرى المخزنة في الشعاب المرجانية المتحجرة. اعتمادًا على حفظها ، قد تسمح نوى هذه الشعاب المرجانية للباحثين بتوسيع سجلات درجات الحرارة حتى 100000 سنة في الماضي. يحتوي Webb على سفينة بحث خاصة ، D Hill ، حيث يتم تثبيت منصة حفر ، قادرة على استخراج النوى من الطبقات القديمة الواقعة تحت الحاجز المرجاني العظيم.



بعد أن يسترد Webb والفريق نوى الحفريات المرجانية ، يمكنهم تحديد أعمارهم باستخدام تاريخ اليورانيوم والثوريوم. يُظهر مطياف الكتلة مقدار اليورانيوم المتبقي في الطبقات الأساسية الذي تآكل لتكوين الثوريوم ، وتستخدم نسبة هذين العنصرين لحساب العمر التقريبي لكل طبقة. مثل جيمينيز ، يستخدم ويب نسبة السترونتيوم إلى الكالسيوم لحساب درجة حرارة المحيط أثناء ظهور كل شريط ، ويستخدم نوىه المتحجرة لتتبع محتوى العناصر الكيميائية في مياه ما قبل التاريخ. قال ويب ، في إشارة إلى العصر الجيولوجي الحالي الذي بدأ قبل 12000 سنة: "تمكنا من جعل النوى مسؤولة عن الهولوسين بأكمله". "يمكننا مقارنة المناخ وجودة المياه في منطقة نفس الشعاب المرجانية ، في نفس المكان ، ولكن فصل 100000 سنة".

توفر البيانات الأحفورية أيضًا أدلة جديدة على العمليات الجيولوجية القديمة. في رحلة أخيرة إلى جيرونا ريف ، قسم من الحاجز المرجاني العظيم قبالة سواحل أستراليا ، واجهوا مشكلة مع الطاقم. يمكن أن يثبّت تركيبهم في القاع بمقدار 30 مترًا ، وبمجرد أن يحسبوا أنه يجب عليهم الوصول قريبًا إلى الطبقات التي ظهرت في الفترة بين الجليدية الأخيرة من العصر الجليدي منذ أكثر من 100000 عام. لكنهم لم يصلوا إليه أبداً. يتذكر ويب: "اعتقدنا أنه في مكان ما على بعد 15 مترًا تقريبًا سندخل البليستوسين". - راهننا على مدى العمق الذي سنجده - وضعه شخص عند 12 ، وشخص في 14. ثم فجأة وصلنا إلى 22 مترًا ، ولم نحصل عليه أبدًا. نحن فقط نلدغ في التجويف ، ولم يتوقع أحد ذلك ".


تصبح الشعاب المرجانية مراكز النظام البيئي البحري الحي ، لذا فإن مستقبلها في مواجهة تحمض المحيطات يثير مخاوف خطيرة

اتضح أن قلب المرجان يحتوي على طبقة تعود إلى العصر الجليدي الأخير ، عندما كان مستوى سطح البحر أقل من 130 مترًا وكان الحاجز المرجاني العظيم بأكمله فوق الماء. تغسل الرياح والأمطار والمياه المتدفقة الحجر الجيري الذي انفتح وشكل شقًا عميقًا تحيط به تلال عالية وحادة وغير مستوية. عندما ارتفع مستوى سطح البحر مرة أخرى ، ملأت التيارات والأمواج الوادي المغمور بجزيئات الصخور الرسوبية ، وأصبح هذا المكان أساسًا للشعاب المرجانية الجديدة. ساعد هذا الاكتشاف العلماء على الاستنتاج بأن شكل الشعاب المرجانية الحديثة لا يتحدد عادة بشكل الشعاب المرجانية السابقة أو الهياكل الجيولوجية التي تنمو عليها ، كما كان يُعتقد سابقًا. يمكن أن يؤدي تراكم الصخور الرسوبية إلى حجب معالم الهياكل القديمة ، وتوفير سطح مستو يمكن أن تنمو عليه الشعاب الجديدة. ويمكن وضع أعلى نقاط من الشعاب المرجانية على ارتفاع يسمح به مستوى سطح البحر ، مما يعني أنها في الأعلى تصبح مسطحة أيضًا.

لطالما لعبت حركة مياه البحر دورًا رئيسيًا في تكوين هذه النظم البيئية الفريدة - يتم تقديم مزيد من التأكيد على ذلك في عمل جديد نُشر في Nature Geoscience. جودي ويبستر من جامعة سيدني ، برايان لوهيد من معهد بيير سيمون لابلاس في فرنسا ، وزملاؤهم استخرجوا العديد من النوى المرجانية القديمة المختلفة من الحاجز المرجاني العظيم. أظهر تحليل مادة الهيكل العظمي والرواسب الأساسية أن التغيرات في مستوى سطح البحر على مدار الثلاثين ألف عام الماضية قتلت أجزاء من الشعاب المرجانية خمس مرات - في بعض الأحيان عندما تعرضت الشعاب في الهواء ، وأحيانًا عندما حجبت الرواسب في ارتفاع المياه الضوء الذي يصل إلى الشعاب. ولكن في كل حالة ، نشأت الشعاب المرجانية مرة أخرى ، حيث ظهرت عليها زوائد من الشعاب المرجانية الأخرى ، وانتقلت تكويناتها المرجانية الحية في النهاية إلى حيث كانت أفضل الظروف للمياه والإضاءة.

كما يعطي الهيكل الفريد لكل طبقة مرجانية في القلب تلميحات بالمشكلات الأخرى التي واجهها المرجان عند تكوينه - سواء حدث ذلك منذ عقود أو آلاف. على سبيل المثال ، عندما يزيد المحيط من الحموضة بسبب ذوبان ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، تغير المرجان عادات النمو تمامًا ، كما كتب باحثون في معهد وودز هول لعلوم المحيطات العام الماضي في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences.


تظهر ثلاثة أقسام أساسية نظامًا معقدًا من الحلقات السنوية يوضح كيف تفاعل المرجان على الشعاب المرجانية مع التغيرات البيئية. يتم تمييز هذه العينات بالأشعة فوق البنفسجية ، والتي تسمح بالحصول على معلومات معينة حول تركيبها الكيميائي.

قام فريق من علماء المحيطات وودز هول ، بما في ذلك طالب الدراسات العليا ناثانيل مولليك والجيولوجي آنا كوهين ، بتحليل عينات من النوى المرجانية الحديثة من Porites المأخوذة بالقرب من بنما ، بالاو ، تايوان ، و Donsha Atoll في بحر الصين الجنوبي. وضعوا جميع النوى في الجهاز للتصوير المقطعي المحوسب - جهاز أشعة سينية خاص يمكنه الكشف عن تفاصيل تغيرات النمو والكثافة داخل المرجان.

بمقارنة هذه السجلات من النوى المرجانية مع عينات المياه المأخوذة في كل موقع ، أظهر العلماء أن الحموضة العالية للمحيط في العصور الماضية أدت إلى ظهور بعض التشوهات الهيكلية. تنمو الشعاب المرجانية في المياه الأكثر حمضية بنفس المعدل تقريبًا ، ولكن يتبين أن هيكل هذه الشعاب المرجانية مختلف تمامًا - تظهر فجوات فيها ، تشبه الفقاعات في عجين فطيرة. وذلك لأنه بعد الذوبان في الماء ، يتحد ثاني أكسيد الكربون مع أيونات الكربونات الحرة. ونتيجة لذلك ، تبقى أيونات أقل في الاورام الحميدة المرجانية ، ولا يمكنها إنتاج ما تحتاج إليه من كربونات الكالسيوم.

بمرور الوقت ، يؤدي هذا العجز إلى ظهور هياكل عظمية مرجانية أرق ومسامية. قال Weifu Guo ، الكيميائي الجيولوجي للفريق: "نرى بشكل أساسي الفراغات والفقاعات في الداخل". من المرجح أن تنهار مثل هذه الهياكل العظمية الهشة نتيجة للعواصف وموجات الصدمات - وهذا ، بدوره ، يهدد أشكال أخرى من الحياة على الشعاب المرجانية ، بما في ذلك الطحالب ، التي تزرع غذاءًا للمرجان ، والأسماك ، التي تعتمد تغذيتهم عليها.

نمذجة المحيط المستقبلي

مثل هذه الملاحظات من النوى المرجانية تملأ الفجوات في المعرفة بديناميكيات الكواكب والمحيطات ، كما تساعد الباحثين على التنبؤ بكيفية تأثير الضغوط المستقبلية على الشعاب المرجانية. وخلص باحثون من وودز هول ، مقارنة البيانات الأساسية مع الزيادة المتوقعة في حموضة المحيطات بسبب تغير المناخ ، إلى أن كثافة الهياكل المرجانية حول العالم بحلول عام 2100 من المرجح أن تنخفض بنسبة 20٪. يؤكد هذا التنبؤ على تعرض الشعاب المستقبلية للأضرار المادية.


جانيس لوي

علاوة على ذلك ، تظهر السجلات طويلة الأجل المخزنة في النوى المرجانية مدى سرعة نمو الشعاب المرجانية والتكيف مع التلوث والاحترار في المحيط - وهذا أمر مهم بشكل خاص ، نظرًا للاتجاهات الحالية المماثلة. "نحن بحاجة إلى سجلات تاريخية لسلوك الشعاب المرجانية ، والتغيرات التي حدثت وردود فعلها على هذه التغييرات. قال ويب: هذا يعطينا فهماً أفضل لما قد نواجهه. "إنه لأمر مدهش كم يمكننا القيام به من خلال ربط كل هذه الملاحظات معا."

تساعد المعرفة المتراكمة بالفعل الباحثين على تصحيح النماذج التنبؤية للمناخ العالمي ، والتي ، وفقًا لـ Low ، ستساعد في تطوير استراتيجيات الحفاظ على الشعاب المرجانية. "نماذج المناخ العالمي ليست مثالية - يتم تعديلها باستمرار. توفر السجلات المرجانية أدلة من الماضي قد تكون مفيدة لهذه النماذج ".

يتم إنفاق جزء ملموس من تمويل البحث على توثيق بيئة الشعاب المرجانية الحديثة ، ولا يبقى سوى القليل جدًا على عينات من ماضيهم. ولكن من أجل إجراء تقديرات دقيقة لتاريخ المحيطات وحالتها الحالية ، وفقًا لـ Webb و Guo وآخرين ، سيكون من الضروري أخذ المزيد من النوى المرجانية لتغطية فترة زمنية أطول. قال قوه: "مع مجموعة أكبر ، لا يتعين عليك أن تبني تفكيرك على مثال مرجان واحد". "يمكنك أن تروي القصة بثقة أكبر."

هدف إيفانكوف منذ فترة طويلة هو المساهمة في هذه القصة التي تتكشف. بعد أن رست زورقته - التي كانت محملة بالفعل بعينات من الشعاب المرجانية - إلى تارا ، وضع الأجزاء الأساسية على سطح السفينة ووضعها على سطح المكتب لتجفيفها. بعد وصوله إلى الميناء ، سيتم إرسال العشرات من النوى التي جمعها إيفانكوف من أجزاء مختلفة من المحيط الهادئ إلى المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي والمركز العلمي في موناكو.

باستخدام البيانات التي تم الحصول عليها من هذه النوى ، سيجمع الباحثون صورة مفصلة للنظام البيئي للمحيط وتفاعل مكوناته. قال إيفانكوف: "نجمع عينات من بيئة المستعمرة بأكملها". "الشعاب المرجانية والمياه والأسماك - نأخذ كل شيء ونشكل الصورة الكبيرة." لآلاف السنين ، كانت الشعاب المرجانية ، خلية تلو الأخرى ، تتخلى عن الأدلة على الصحة والتغيرات في الأنظمة الحية ككل. الآن يمكن أن يمنحنا مصير هذه الأنظمة الفرصة لفك السجلات المخفية الموجودة في هذه الهياكل العظمية.