Borealisation of an Arctic marine ecosystem during the Last Interglacial

إن القطب الشمالي ليس مجرد أرض قاحلة متجمدة؛ بل هو محيط حي يتنفس ويلعب دوراً حاسماً في نظام مناخ الأرض. عند سطحه، تعمل النباتات المجهرية التي تسمى العوالس النباتية (phytoplankton) كقاعدة للشبكة الغذائية البحرية. هذه الكائنات الدقيقة هي أيضاً محركات قوية لصحة الكوكب، حيث تمتص كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتغرقه في أعماق المحيط، مما يؤدي فعلياً إلى حبسه بعيداً. لعقود من الزمن، راقب العلماء هذه المنطقة وهي تسخن بمعدل مثير للقلق، وهو ما يقرب من أربعة أضعاف سرعة بقية أنحاء العالم. ومع ذوبان الجليد ودفع المياه الدافئة من المحيط الأطلسي شمالاً، بدأت الأنواع المعتدلة في غزو هذه المياه الباردة، وهو تحول يسميه الباحثون "التمدر" (borealisation). والسؤال الكبير هو كيف سيعيد هذا التغيير السريع تشكيل النظام البيئي وهل سيستمر القطب الشمالي في العمل كمستودع للكربون أم سيفقد هذه القدرة. وللإجابة على ذلك، ينظر العلماء إلى الماضي، وتحديداً إلى فترة دافئة تُعرف باسم "آخر فترة بين جليدية" (Last Interglacial)، والتي حدثت بين 128 و116 ألف سنة مضت. تعمل هذه الحقبة كمختبر طبيعي، حيث تقدم لمحة عما قد يبدو عليه القطب الشمالي الأكثر دفئاً، مما يساعدنا على فهم كيفية استجابة الحياة البحرية ودورات الكربون للحرارة في زمن ما قبل الصناعة البشرية.

لقد استطاع فريق من الباحثين الآن استراق النظر إلى ذلك الماضي السحيق باستخدام تقنية تتجاوز قيود الأحافير التقليدية. فقد جمعوا عينات من الرواسب من قاع مضيق فرام (Fram Strait)، وهو قناة عميقة بين جرينلاند وسفالبارد حيث تتدفق مياه الأطلسي الدافئة شمالاً. وبدلاً من البحث عن الأصداف الصلبة للكائنات القديمة التي غالباً ما تفشل في الحفظ في هذه الرواسب المحددة، استخرجوا الحمض النووي القديم مباشرة من الطين. وفرت هذه المادة الوراثية، التي حُفظت لأكثر من 100,000 عام، لقطة مفصلة للنظام البيئي بأكمله، من أصغر الميكروبات إلى أكبر الحيتان. وتكشف النتأيج عن تحول دراماتيكي في المحيط القطبي خلال تلك الفترة الدافئة. لم يكتفِ النظام البيئي بالدفء فحسب؛ بل غير طابعه بشكل جذري، متحولاً من نظام بارد يهيمن عليه الجليد إلى نظام تهيمن عليه الأنواع المعتدلة، وهي عملية كانت لها عواقب عميقة على كيفية تعامل المحيط مع الكربون.

تبدأ القصة مع النباتات المجهرية التي تقود إنتاجية المحيط. في الفترات الباردة والجليدية التي سبقت الفترة الدافية، كانت المياه تهيمن عليها الدياتومات (diatoms). وهي عبارة عن طحالب وحيدة الخلية ذات أصداف زجاجية ثقيلة وتغرق بسرعة، مما ينقل الكربون بكفاءة إلى أعماق البحار. ومع ذلك، مع ارتفاع درجة الحرارة وبدء الفترة بين الجليدية الأخيرة، تم استبدال الدياتومات إلى حد كبير بمجموعة مختلفة من العوالس النباتية تسمى الكوكوليثوفورات (coccolithophores). وهي أيضاً طحالب وحيدة الخلية، لكنها أصغر حجماً وتبني أصدافها من كربونات الكالسيوم بدلاً من السيليكا. ويظهر السجل الجيني حدوث طفرة هائلة في نوع معين من الكوكوليثوفورات، وهو "جيفيروكابس" (Gephyrocapsa)، الذي يشيع في المياه المعتدلة ولكنه نادر في القطب الشمالي البارد. يشير هذا التحول إلى أن مياه الأطلسي الدافية، التي تحمل هذه الأنواع المعتدلة، قد غمرت القطب الشمالي، مما أدى إلى إزاحة المتخصصين في المياه الباردة. كان التغيير متميزاً لدرجة أن الباحثين استطاعوا تتبع اللحظة الدقيقة التي انقلب فيها النظام البيئي، مما وضع علامة واضحة على الانتقال من عالم جليدي إلى عالم بين جليدي.

وقبل أن يستقر هذا التحول الكبير، رصد الباحثون فترة قصيرة وفوضوية من الاضطراب البيئي. فبمجرد أن بدأت الصفائح الجليدية في الذوبان وبدأ المناخ في الدفء، أصبح المحيط مزيجاً من المياه العذبة الناتمة من الذوبان ومياه الأطلسي المالحة. خلق هذا بيئة غير مستقرة ومتعددة الطبقات، حيث تعطلت القواعد المعتادة للمحيط. خلال هذا الوقت، يظهر سجل الحمض النووي انفجاراً في التنوع بين الكائنات الأصغر والأكثر مرونة. كان العديد من هذه الكائنات عبارة عن حقيقيات نوى وحيدة الخلية وصغيرة جداً يمكنها التحرك من تلقاء نفسها أو أكل الكائنات الأخرى للحصول على الغذاء، وهي سمات ساعدتها على البقاء في المياه المتغيرة والفقيرة بالمغذيات. كما وجد الباحثون أدلة على وجود طحالب معروفة بتكوين ازدهار ضار اليوم، مما يشير إلى أن إجهاد التغير البيئي السريع يمكن أن يحفز انتشار هذه الأنواع التي قد تكون سامة. تسلط هذه المرحلة الانتقالية الضوء على مدى هشاشة النظام البيئي للقطب الشمالي عندما يختل التوازن بين الجليد والمياه العذبة والتيارات المحيطية الدافئة.

ومع وصول الفترة الدافئة إلى ذروتها، استقر النظام البيئي في "وضع طبيعي جديد" تهيمن عليه الكوكوليثوفورات المعتدلة. لكن التغييرات ذهبت إلى ما هو أبعد من المستوى المجهري. فقد التقط السجل الجيني أيضاً وجود حيوانات بحرية كبيرة، مما قدم أول دليل جزيئي على وجودها في القطب الشمالي خلال ذلك الوقت. ظهر الحمض النوءي للحيتان والأسماك في الرواسب، مما يشير إلى أن "تمدر" المحيط امتد ليشمل جميع مستويات السلسلة الغذائية. وجد الباحثون آثاراً جينية لأنواع مثل سمك القد الأطلسي وحوت مينكي، وهي حيوانات ترتبط اليوم بالمياه المعتدلة الدافئة ولكنها كانت تتوغل شمالاً خلال تلك الفترة الدافئة. حتى الفقمات، التي تلتصق عادة بالجليد، ظهرت في السجل، رغم أن وجودها كان مرتبطاً بلحظات أبرد محددة داخل الفترة الدافئة عندما عاد الجليد البحري لفترة وجيزة. يشير هذا إلى أن المجتمع البحري بأكمده، من أصغر العوالس إلى أكبر المفترسات، قد أُعيد تشكيله بفعل تدفق المياه الدافئة والأنواع التي حملتها.

إن تداعيات هذا التحول القديم كبيرة لفهمنا للمستقبل. إن الانتقال من الدياتومات الثقيلة سريعة الغرق إلى الكوكوليثوفورات الأصغر والأبطأ في الغرق يشير إلى أن قدرة المحيط على سحب الكربون من الغلاف الجوي وتخزينه في أعماق البحار قد ضعفت خلال تلك الفترة الدافئة. وبينما لا تزال الكوكوليثوفورات تقوم بعملية التمثيل الضوئي، فإن أصدافها مكونة من كربونات الكالسيوم، وهي عملية يمكن أن تؤدي في الواقع إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى في الماء، مما يعوض جزئياً فوائد نموها. علاوة على ذلك، فإن الحجم الأصغر لهذه الكائنات يعني أنها تغرق ببطء أكثر، مما يمنحها وقتاً أطول ليتم أكلها أو تحللها في الطبقات العليا من المحيط، مما يبقي الكربون يدور بالقرب من السطح بدلاً من عزله في الأعماق. يشير هذا إلى أنه بينما يسخن القطب الشمالي الحديث ويخضع لتحول مماثل، فإن قدرته على العمل كمستودع عالمي للكربون قد تتضاءل، مما قد يسرع من تغير المناخ في حلقة تغذية مرتدة.

تقدم الدراسة نظرة نادرة ومفصلة لكيفية استجابة نظام بيئي بحري معقد للاحترار السريع، باستخدام وقت كان فيه كوكب الأرض أكثر دفئاً من الناحية الطبيعية مما هو عليه اليوم. وهي تؤكد أن القطب الشمالي ليس مجرد ضحية سلبية لتغير المناخ، بل هو مشارك نشط يمكنه الخضوع لإعادة تنظيم شاملة وسريعة للنظام. إن غزو الأنواع المعتدلة، واضطراب الشبكة الغذائية، والقدرة المحتملة على تقليل كفاءة تخزين الكربون، كلها تشير إلى مستقبل سيبدو فيه المحيط القطبي ويؤدي وظائفه بشكل مختلف تماماً عما هو عليه الآن. ومن خلال قراءة التاريخ الجيني المحبوس في الطين، وجد العلماء نموذجاً قوياً لما قد يحدث في العقود القادمة. إن القطب الشمالي يتغير، والدروس المستفادة من الماضي تشير إلى أن هذه التغييرات ستتردد أصداؤها عبر نظام المناخ العالمي بأكمله، مما يغير توازن الحياة وكيمياء الهواء الذي نتنفسه.