Eliöiden reagoiminen ilmastonmuutokseen ja mittakaavaongelma

Sisältö:

  1. Ilmastonmuutoksen ajalliset ja maantieteelliset mittakaavat Kvartäärikaudella
  2. Mittakaavaongelma nisäkkäiden ilmastonmuutokseen reagoimisen havaitsemisessa fossiiliaineistosta
  3. Biologiset vasteet nopeaan ilmastonmuutokseen viime jää- ja lämpimän kauden vaihteessa

Ilmastonmuutoksen ajalliset ja maantieteelliset mittakaavat Kvartäärikaudella

Raymond S. Bradley: Temporal and spatial scales of climate change in the Quaternary paleoclimatic record

Ilmaston kokonaisvaihtelu kvartäärikaudella (viimeisten 1,5 miljoonan vuoden aikana) koostuu erilaisten ilmiöiden aiheuttamien osavaikutusten summasta. Näitä osavaikutuksia tapahtuu useissa eri ajallisissa ja maantieteellisissä mittakaavoissa.

  • Maapallon liikkeet avaruudessa vaikuttavat koko maapallon ilmastoon kymmenien tuhansien tai miljoonien vuosien kuluessa. Muutokset vaikuttavat mannerjäätiköiden koon muutosten kautta merenpinnan korkeuteen, merivirtoihin, auringon säteilyn heijastumiseen ja ilmakehän koostumukseen.
  • Myös Mannerlaattojen liikkeet (tektoniikka) vaikuttavat suurimmalla aikavälillä. Matalilla merillä sekä vuoristoilla ja ylängöillä on vaikutusta maapallon ilmastoon.
  • Vaihtelut auringon säteilyssä ja sen aiheuttamat muutokset merivirtojen kierrossa (jäätiköiden kautta) vaikuttavat koko maapallon ilmastoon satojen tai tuhansien vuosien aikana.
  • Tulivuorenpurkaukset ja ilmaston sisäiset vaihtelut (esim. El Niño) vaikuttavat paitsi maailmanlaajuisesti myös voimakkaasti paikallisella tasolla kymmenien tai muutamien vuosien aikana.

Kuvioon liittyy monimutkaisia vuorovaikutuksia eri tasoilta ja vaikutustavoilta toiselle. Esimerkiksi muutokset maapallon kallistuskulmassa ja kiertoliikkeessä auringon ympäri vaikuttavat jäätiköiden muodostumiseen, sitä kautta merivirtojen liikkeisiin ja edelleen lämpötilan maantieteelliseen jakautumiseen maapallolla. Vaikutukset voivat olla sekä toisiaan voimistavia että hillitseviä. Lisäksi satunnaisella vaihtelulla on osansa ilmaston muutoksissa.

Pitkäkestoisimmat ja laaja-alaisimmat muutokset vaikuttavat ekosysteemiin siten että kokonaisia uusia biomeja muodostuu. Pienen mittakaavan muutokset puolestaan vaikuttavat yksittäisten lajien levinneisyyteen ja sukkessioon. Riittävän hitaisiin muutoksiin lajit sopeutuvat, mutta nopeat vaihtelut voivat olla niille kohtalokkaita.

Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä on pysytellyt tuhansia vuosia välillä 180-280 ppm (miljoonasosaa). Nykyään hiilidioksidipitoisuus on n. 380 ppm. Ennusteiden mukaan pitoisuus voi tulevaisuudessa olla jopa 760 ppm, jolla olisi ennalta arvaamattomia vaikutuksia.

Mittakaavaongelma nisäkkäiden ilmastonmuutokseen reagoimisen havaitsemisessa fossiiliaineistosta

Anthony D. Barnosky: The problem of scale in the detecting mammalian response to climate change in the fossil record

Ekologiset ja evolutiiviset muutokset tapahtuvat ilmaston määräämissä taustaolosuhteissa. Ilmastossa tapahtuu muutoksia monissa ajallisissa mittakaavoissa kymmenien vuosien aikana tapahtuvista nopeista muutoksista jopa miljoonia vuosia kestäviin trendeihin. Myös muutoksien maantieteellinen mittakaava vaihtelee.

Nämä mittakaavaerot voivat aiheuttaa virheitä fossiililöytöjen tulkinnoissa. Samoista aineistoista onkin johdettu erilaisia päätelmiä ilmaston ja toisaalta lajien välisten suhteiden merkityksestä niiden evoluutioon. Nämä ristiriitaiset tulkinnat voidaan kuitenkin sovittaa yhteen ottamalla mittakaavat huomioon.

Yksi kysymys on missä vaiheessa ilmastonmuutoksen vaikutuksista eliöihin tulisi huolestua? Kuinka paljon ilmasto voi muuttua ilman että sillä on merkittäviä negatiivisia vaikutuksia lajirikkauteen? Alroyn ym. (2000) tutkimuksen mukaan ilmastonmuutoksen ja lajirikkauden välillä ei ole korrelaatiota. Mutta tutkimuksessa käytetyt lajirikkaus- ja ilmastonmuutosindeksi ovat peräisin eri paikoilta ja erikokoisilta alueilta. Kun lajirikkausindeksi korjataan vastaamaan mittakaavaltaan ilmastonmuutosindeksiä, huomataankin että pitkän ajan muutokset ilmastossa ja lajirikkaudessa itse asiassa korreloivat.

Porcupine Caven alueen lajiston kehityksestä on tietoa viimeisten kahden-kolmen jääkauden ajalta. Alueella tehdyt tutkimukset osoittavat että eliöyhteisön yleisrakenteessa ei ole tapahtunut merkittäviä muutoksia ilmaston muuttuessa: alueella on aina ollut paljon myyriä ja maaoravia sekä vähän huippupetoja. Sen sijaan lajien ja lajiryhmien osuus on muuttunut., ja lajirikkaus vähentynyt ilmaston lämmetessä.

Nykytiedon perusteella ilmastonmuutoksella on vaikutusta lajirikkauteen. Asiaa tutkittaessa täytyy ottaa huomioon ajalliset ja maantieteelliset mittakaavat. Tietoa lajirikkaudesta voidaan käyttää arvioitaessa ilmastonmuutoksen vaikutuksia ekosysteemiin sekä vaikutusten kynnysarvojen määrittämisessä.

Biologiset vasteet nopeaan ilmastonmuutokseen viime jää- ja lämpimän kauden vaihteessa

Hilary H. Birks: Biological responses to rapid climate change at the last Glacial-Interglacial transition - patterns and processes

John Birks: Biological responses to rapid climate change at the last Glacial-Interglacial transition -dynamics, turnover and rates of change

Länsi-Norjassa sijaitsevan Kråkenes-järven pohjasedimentteihin on tallentunut fossiileja ajalta kun viime jääkausi vaihtui nykyiseen lämpökauteen. Tämä ilmastonmuutos tunnetaan suhteellisen hyvin mm. Grönlannin jääkairauksien perusteella. Muutos oli hyvin nopea, noin 0,2-0,3 Celsiusastetta 25 vuodessa. Kråkenesin fossiiliaineistoa voidaan käyttää tutkittaessa eliöyhteisössä tapahtuneita muutoksia ilmaston muuttuessa. Jotta menneen ja nykyisen ilmastonmuutoksen vertailu onnistuisi, täytyy tiedot näiltä ajoilta saattaa samaan mittakaavaan sekä menneen ekosysteemin rakenne selvitettävä. Tutkimusta varten on kerättävä mahdollisimman paljon erilaisia fossiileja (biological proxy records) ja määritettävä niille ikä, jotta vertailu muihin alueisiin ja ilmastotietoihin olisi mahdollista.

Kråkenesin fossiiliaineistoa on tutkittu ja ajoitettu tarkasti. Alueelta on kerätty fossiileja, jotka kuvastavat paitsi paikallista maa- ja vesilajistoa myös alueellista eliöstöä (siitepöly). Siitepölystä on tehty tarkka ajallinen analyysi: näytteitä on 10-15 vuoden välein. Näiden perusteella on voitu selvittää järven koko ekosysteemin (järvi + valuma-alue) rakenne ja sen vasteet nopeisiin ilmastomuutoksiin viime jääkauden lopulla. Vasteet sisältävät lajiston saapumisen, laajentumisen ja katoamisen sekä sukkessioprosessit.

Lämpötila vaikuttaa sekä suoraan että epäsuorasti (muiden tekijöiden kautta) sekä järven eliöihin että sen valuma-alueeseen. Biologisten prosessien toiminta järvessä riippuu pitkälti tapahtumista sen valuma-alueella, joka on järven pääasiallinen ravinteiden sekä orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden lähde.

Kasvien sukkessio alkoi heti jääkauden loputtua. Useimmat kasvit saapuivat alueelle yllättävän nopeasti 100-350 vuoden kuluessa. Osa alueella aikaisemmin kasvaneista kasveista katosi hyvin nopeasti, osa hitaasti ja osa levisi laajemmalle. Myös pieneliöt (mm. piilevät ja vesiperhoset) aloittivat sukkession heti. Piilevillä suurin osa muutoksesta tapahtui 150 vuodessa. Alueen kasvillisuus muuttui paljakasta koivumetsäksi reilussa 600 vuodessa.

Poikkeuksia kuitenkin oli. Koivut saapuivat alueelle vasta 630 vuoden kuluttua jääkauden loppumisesta. Tähän saattoivat vaikuttaa maaperän hidas kehittyminen koivuille sopivaksi, leviämistä viivästyttävät tekijät etelämpänä tai maastopalot. Tyydyttävää selitystä ei kuitenkaan ole löytynyt.

Eliöiden vaste ilmastonmuutokseen oli pääasiassa nopeaa. Erityisesti ruohokasvit levisivät yllättävän nopeasti kun ympäristö ja olosuhteet muuttuivat sopiviksi. Merkittävä osa muutoksesta tapahtui muutaman sadan vuoden kuluessa. Eliöiden vaste lämpötilan muutokseen oli niin selväpiirteistä, että tietoja niiden esiintymisestä voidaan käyttää lämpötilan määrittämisessä jääkairauksien tapaan. Poikkeuksia kuitenkin oli, merkittävimpänä koivujen saapuminen n. 400 vuotta "myöhässä".

Jääkauden lopun muutoksen nopeutta on mitattu lajiston muutoksen asteella suhteessa aikaan (beta-diversiteetti ja rate of compositional change). Se muistuttaa paljon nykyään tapahtuvia muutoksia jäätiköiden vetäytyessä, mutta oli kuitenkin hitaampaa. Jäätikön vetäytyessä kasvillisuus rehevöityy ja puusto saapuu alueelle noin sadassa vuodessa. Myös ns. pienen jääkauden muutokset (turnover rate) olivat nopeampia kuin muutokset Kråkenesissa.

Tuloksia voidaan käyttää arvioitaessa eliöyhteisöjen reagoimista nykyiseen ilmastonmuutokseen. Ongelmaksi voi kuitenkin muodostua nykyisen ilmastonmuutoksen nopeus: jos muutos on nopeampaa ja voimakkaampaa kuin aiemmin, tuloksia on hankala soveltaa luotettavasti.