Арктика когда-то была пышной и зеленой, и может стать такой снова, показывают новые исследования американских ученых, сообщает phys.org.

Зеленая Арктика

Представьте себе не белую, а зеленую Арктику с лесистыми кустарниками до самого канадского побережья Северного Ледовитого океана. Именно так выглядел самый северный регион Северной Америки около 125 000 лет назад, в последний межледниковый период. Это показали новые исследования из Университета Колорадо в Боулдере.

Исследователи проанализировали ДНК растений возрастом более 100 000 лет, извлеченную из озерных отложений в Арктике (самая старая ДНК в озерных отложениях, проанализированная в публикации на сегодняшний день). Они обнаружили свидетельства того, что кустарник произрастал в северных канадских экосистемах на 250 миль (400 км) севернее, чем его нынешний ареал.

Поскольку Арктика нагревается гораздо быстрее, чем где-либо еще на планете в ответ на изменение климата, результаты, опубликованные на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, могут быть не только проблеском прошлого, но и снимком нашего потенциального будущего.

«У нас есть этот действительно редкий взгляд на конкретный теплый период в прошлом, который, возможно, был самым последним временем, когда в Арктике было теплее, чем сейчас. Это делает его действительно полезным аналогом того, что мы можем ожидать в будущем», — сказала Сара Крамп, которая проводила эту работу в качестве аспиранта в области геологических наук, а затем постдокторанта в Институте арктических и альпийских исследований (INSTAAR).

Чтобы заглянуть в прошлое, исследователи не только проанализировали образцы ДНК, им сначала пришлось отправиться в отдаленный район Арктики на квадроциклах и снегоходах, чтобы собрать образцы.

Свидетельствует карликовая береза

Карликовая береза — один из ключевых видов низменных арктических тундр, где в холодных и негостеприимных условиях могут расти кустарники чуть выше колен. Но карликовая береза в настоящее время не выживает дальше южной части острова Баффина в канадской Арктике. Тем не менее, исследователи обнаружили ДНК этого растения в древних озерных отложениях, показывающих, что раньше оно росло гораздо дальше на север.

«Это довольно значительное отличие от распределения тундровых растений сегодня», — сказал Крамп, в настоящее время постдокторский сотрудник Лаборатории палеогеномики Калифорнийского университета в Санта-Крусе.

Хотя существует много потенциальных экологических эффектов карликовой березы, ползущей дальше на север, Крамп и ее коллеги изучили климатические обратные связи, связанные с этими кустарниками, покрывающими большую часть Арктики. Многие климатические модели не включают в себя такого рода изменения растительности, но эти более высокие кустарники могут торчать над снегом весной и осенью, делая поверхность Земли темно—зеленой, а не белой, заставляя ее поглощать больше тепла от солнца.

— Это температурная обратная связь, подобная потере морского льда, — сказал Крамп.

В течение последнего межледникового периода, между 116 000 и 125 000 лет назад, у этих растений были тысячи лет, чтобы приспособиться и двигаться в ответ на более теплые температуры. При сегодняшнем быстром темпе потепления растительность, вероятно, не поспевает за ним, но это не значит, что она не будет играть важную роль в воздействии на все-от таяния вечной мерзлоты до таяния ледников и повышения уровня моря.

«Когда мы думаем о том, как ландшафты будут уравновешиваться текущим потеплением, очень важно, чтобы мы учитывали, как эти растительные ареалы будут меняться», — сказал Крамп.

Поскольку к 2100 году Арктика могла легко увидеть повышение на 9 градусов по Фаренгейту (5 градусов по Цельсию) выше доиндустриального уровня, той же температуры, что и в последний межледниковый период, эти результаты могут помочь нам лучше понять, как могут измениться наши ландшафты, поскольку Арктика находится на пути к тому, чтобы снова достичь этих древних температур к концу века.

Грязь как микроскоп

Чтобы получить древнюю ДНК, которую они хотели, исследователи не могли смотреть на океан или на сушу—они должны были смотреть в озеро.

Остров Баффина расположен на северо-восточной стороне Арктической Канады, от китти-корнера до Гренландии, на территории Нунавута и земель эскимосов Кикиктаани. Это самый большой остров в Канаде и пятый по величине остров в мире, с горной цепью, которая проходит вдоль его северо-восточного края. Но этих ученых интересовало небольшое озеро, за горами и недалеко от берега.

За Полярным кругом область вокруг этого озера типична для высокой арктической тундры со средними годовыми температурами ниже 15 °F (?9,5 °C). В этом негостеприимном климате почва тонкая и почти ничего не растет.

Но ДНК, хранящаяся на дне озера, говорит совсем о другом.

Чтобы добраться до этого ценного ресурса, Крамп и ее коллеги—исследователи старательно балансировали летом на дешевых надувных лодках — единственных легких судах, которые можно было взять с собой, — а зимой наблюдали за белыми медведями со льда озера. Они пронзали толстую грязь до 30 футов (10 метров) под ее поверхностью длинными цилиндрическими трубами, забивая их глубоко в осадок.

Цель этого рискованного подвига? Тщательно изъять вертикальную историю древнего растительного материала, чтобы затем отправиться обратно и забрать ее в лабораторию.

В то время как часть грязи была проанализирована в современной лаборатории органической геохимии в Сообществе устойчивого развития, энергетики и окружающей среды (SEEC) в CU Boulder, она также должна была попасть в специальную лабораторию, посвященную расшифровке древней ДНК, в Университете Кертина в Перте.

Чтобы поделиться своими секретами, этим глинистым ядрам пришлось пересечь полмира от Арктики до Австралии.

Оказавшись в лаборатории, ученые должны были облачиться в скафандры, как астронавты, и исследовать грязь в сверхчистом пространстве, чтобы убедиться, что их собственная ДНК не загрязняет ни один из их с трудом заработанных образцов.

Это была гонка на время

— Твой лучший шанс — получить свежую грязь, — сказал Крамп. — Как только он выйдет из озера, ДНК начнет деградировать".

Вот почему старые образцы озерного дна в холодном хранилище не совсем справляются с этой задачей.

В то время как другие исследователи также собрали и проанализировали гораздо более старые образцы ДНК из вечной мерзлоты в Арктике (которая действует как естественный морозильник под землей), озерные отложения остаются прохладными, но не замороженными. С более свежей грязью и более неповрежденной ДНК ученые могут получить более ясную и детальную картину растительности, которая когда-то росла в этой непосредственной области.

Реконструкция исторической растительности чаще всего проводилась с использованием записей окаменелой пыльцы, которые хорошо сохраняются в осадочных отложениях. Но пыльца склонна показывать только общую картину, так как она легко разносится ветром и не остается на одном месте.

Новый метод, используемый Крамп и ее коллегами, позволил им извлечь ДНК растений непосредственно из осадка, секвенировать ДНК и сделать вывод, какие виды растений жили там в то время. Вместо региональной картины осадочный анализ ДНК дает исследователям местный снимок видов растений, обитавших там в то время.

Теперь они показали, что можно извлечь ДНК, возраст которой превышает 100 000 лет.

«Этот инструмент будет действительно полезен в этих более длительных временных масштабах», — сказал Крамп.

Это исследование также посеяло семена для изучения не только растений. В образцах ДНК из их озерных отложений есть сигналы от целого ряда организмов, которые жили в озере и вокруг него.

«Мы только начинаем царапать поверхность того, что мы можем видеть в этих прошлых экосистемах», — сказал Крамп. «Мы можем увидеть прошлое присутствие всего, от микробов до млекопитающих, и мы можем начать получать гораздо более широкие картины того, как выглядели прошлые экосистемы и как они функционировали».