Σε μια πρωτοποριακή έρευνα, επιστήμονες προσπαθούν να απαντήσουν αν μπορεί ένα ολόκληρο αρκτικό οικοσύστημα να εξελιχθεί ώστε να προσαρμοστεί στην κλιματική κρίση
Στη βόρεια πλαγιά της Αλάσκας, οι επιστήμονες προχωρούν προσεκτικά ανάμεσα σε συστάδες από τούφες χορταριού, κατευθυνόμενοι προς ένα ορμητικό ρέμα που κατεβαίνει από την επιβλητική οροσειρά Μπρουκς, μεταφέροντας νερά από τους πάγους και τα χιόνια.
Κοντά στο Γκάλμπρεϊθ Κρικ, απλώνουν ένα δίχτυ ομίχλης για να παγιδεύσουν λευκόφρυδους σπουργίτες. Τα πουλιά έχουν φτάσει πρόσφατα από νοτιότερα γεωγραφικά πλάτη, με σκοπό να τραφούν με τα έντομα που σύντομα θα κατέκλυζαν την τούνδρα σαν σύννεφα καταιγίδας.
Σύμφωνα με τον Guardian, το καλοκαίρι στην Αρκτική διαρκεί ελάχιστα και οι σπουργίτες έχουν μόνο λίγες εβδομάδες για να δημιουργήσουν επικράτειες, να βρουν ταίρι, να γεννήσουν αυγά και να μεγαλώσουν τους νεοσσούς τους, τρεφόμενοι διαρκώς με έντομα. Από κάθε πουλί που παγιδεύουν, οι επιστήμονες συλλέγουν δείγματα αίματος, φτερών και περιττωμάτων, προκειμένου να διαπιστώσουν τι τρώνε και πώς αλλάζει η διατροφή τους κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού.
Ένα από τα ερωτήματα που θέλουν να απαντήσουν είναι αν οι σπουργίτες καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες εντόμων των ρεμάτων, όπως τα πλεκόπτερα και τα εφημερόπτερα, εξηγεί ο Ίαν Σούμαν, υποψήφιος διδάκτορας ποσοτικής οικολογίας στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια.
Για τι αποτελούν «παράθυρο» οι συγκεκριμένοι σπουργίτες
Καθώς οι θάμνοι ιτιάς καταλαμβάνουν νέα εδάφη κατά μήκος των ποταμών και των ρεμάτων της Αρκτικής – μια διαδικασία που οι επιστήμονες αποκαλούν «θαμνοποίηση» (shrubification) – μπορεί να διαταραχθούν οι κύκλοι ζωής των πλεκόπτερων και των εφημερόπτερων. Αν τα ωδικά πτηνά εξαρτώνται επίσης από τα υδρόβια έντομα για να ευδοκιμήσουν, αυτό θα μπορούσε να επηρεάσει τις προοπτικές επιβίωσης των σπουργιτών.
Η τούνδρα μπορεί να δίνει την αίσθηση ότι δεν αλλάζει ποτέ, χάρη στην απεραντοσύνη της. Μια θάλασσα από γρασίδι και βρύα εκτείνεται μέχρι εκεί που φτάνει το βλέμμα. Όμως πάνω από τον Αρκτικό Κύκλο, οι αλλαγές συντελούνται ταχύτερα από οπουδήποτε αλλού στη Γη. Το χιόνι λιώνει νωρίτερα την άνοιξη, στέλνοντας τεράστιες ποσότητες νερού προς τα κατάντη. Μέχρι τα τέλη του καλοκαιριού, αυτές οι πρώιμες πλημμυρικές ροές έχουν δώσει τη θέση τους σε ξεραμένες κοίτες ρεμάτων.
Ο αρκτικός θύμαλλος – ένα ψάρι ψυχρών υδάτων της οικογένειας των σολομών – που μετακινείται ανάμεσα σε βαθιές λίμνες, όπου βρίσκει καταφύγιο τον χειμώνα, και σε ρηχά ρέματα όπου αναπαράγεται το καλοκαίρι, μπορεί να εγκλωβιστεί σε απομονωμένες λιμνούλες. Και η επιβίωσή του εξαρτάται επίσης από τα εφημερόπτερα και τα πλεκόπτερα.
Σε ολόκληρη την επικράτεια, η υπερθέρμανση του πλανήτη αναδιατάσσει την ισορροπία της ζωής. Ορισμένα είδη θα ευνοηθούν, ενώ εκείνα που δεν μπορούν να προσαρμοστούν αρκετά γρήγορα θα οδηγηθούν σε απότομη πληθυσμιακή κατάρρευση και τελικά στην εξαφάνιση. Η εξέλιξη και η προσαρμογή θεωρούνταν για μεγάλο διάστημα ατομικές διαδικασίες – μια μορφή «επιβίωσης του ισχυρότερου».
Τι θα γινόταν, όμως, αν τα είδη μπορούσαν να αξιοποιήσουν τις μακροχρόνιες σχέσεις τους όχι για να επιβιώσουν ή να αποτύχουν μόνα τους, αλλά για να εξελιχθούν και να προσαρμοστούν γρήγορα μαζί στην κλιματική κρίση, διατηρώντας ακέραια ολόκληρα οικοσυστήματα;
Το φιλόδοξο περιβαλλοντικό πρόγραμμα
Αυτό είναι το ερώτημα που προσπαθούν να απαντήσουν εξελικτικοί οικολόγοι, βιολόγοι, φυσιολόγοι και γενετιστές, μελετώντας τα υδάτινα οικοσυστήματα και τα οικοσυστήματα της τούνδρας στην Αλάσκα, στο πλαίσιο ενός πρωτοποριακού προγράμματος ύψους 15 εκατ. δολαρίων, το οποίο υποστηρίζεται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ. Για έξι χρόνια, οι επιστήμονες θα μελετούν στενά πέντε είδη και τις μεταξύ τους σχέσεις: τον λευκόφρυδο σπουργίτη, την «ιτιά με τα χνουδωτά φύλλα», ο αρκτικός θύμαλλος, ένα υδρόβιο είδος εφημερόπτερου και ένα είδος σκαθαριού – με τα ακριβή είδη να μην έχουν ακόμη προσδιοριστεί.
Αν τα είδη προσαρμόζονται στις μεταβολές της θερμοκρασίας, μπορεί να προσαρμόζονται επίσης το ένα στις αλλαγές του άλλου -και στις προσαρμογές που αναπτύσσουν μεταξύ τους. «Υπάρχει ο τρόπος με τον οποίο οι οργανισμοί ανταποκρίνονται ατομικά, αλλά όλοι αυτοί οι οργανισμοί ζουν επίσης μέσα σε ένα σύστημα αλληλεπιδράσεων που είναι ένα οικοσύστημα», λέει η Λίντα Ντίγκαν, ανώτερη επιστήμονας στο Woodwell Climate Research Center στη Μασαχουσέτη, η οποία ηγείται του προγράμματος, γνωστού ως Evolving Meta-Ecosystems Institute (Evome). «Πιστεύουμε ότι αυτές οι συνδέσεις θα τους βοηθήσουν να ευημερήσουν υπό την κλιματική αλλαγή. Τα πράγματα δεν θα καταρρεύσουν ολοκληρωτικά».
Οι επιστήμονες επέλεξαν τα οικοσυστήματα της τούνδρας και των ρεμάτων της Αλάσκας για τη μελέτη, όχι μόνο επειδή η Αρκτική είναι η περιοχή που θερμαίνεται ταχύτερα στη Γη, αλλά και επειδή φιλοξενεί σχετικά απλά οικοσυστήματα, όπου ένας μικρός αριθμός ειδών διαμορφώνει το περιβάλλον. Παρ’ όλα αυτά, όσα ανακαλύψουν στον μακρινό βορρά θα βοηθήσουν στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οικοσυστήματα σε ολόκληρο τον κόσμο – από τις τροπικές περιοχές έως τις αλπικές ζώνες – μπορεί να αντέξουν την κλιματική κρίση.
Η γη εκατέρωθεν του αυτοκινητόδρομου Ντάλτον, του δρόμου που συνδέει το Φέρμπανκς με τις πετρελαιοφόρες εγκαταστάσεις του Προύντοου Μπέι, λειτουργεί ως ένα τεράστιο υπαίθριο εργαστήριο για τους 50 επιστήμονες από ερευνητικά ιδρύματα των ΗΠΑ που συμμετέχουν στο πρόγραμμα. Σχεδόν κάθε μέρα, καθ’ όλη τη διάρκεια της άνοιξης και του καλοκαιριού, οι επιστήμονες επισκέπτονται τα 15 σημεία έρευνας που βρίσκονται διάσπαρτα σε μια διαδρομή σχεδόν 190 μιλίων, η οποία ξεκινά λίγο νότια από την οροσειρά Μπρουκς και φτάνει έως το Σάγκγουον Κρικ, περίπου 60 μίλια νότια του Αρκτικού Ωκεανού.
Είναι αδύνατο να περπατήσει κανείς για πολύ στην τούνδρα χωρίς να συναντήσει κάποιο ερευνητικό πρόγραμμα κρυμμένο ανάμεσα στις ιτιές ή τα βούρλα. Δεκάδες κολλώδεις παγίδες ξεπροβάλλουν από το μόνιμα παγωμένο έδαφος για να συλλέξουν έντομα. Κουτιά καταγραφής καταγράφουν τα καλέσματα των πουλιών. Αισθητήρες θερμοκρασίας βρίσκονται βυθισμένοι στα παγωμένα ρέματα. Διχτυωτές σακούλες ανεμίζουν πάνω από την τούνδρα για να συλλέγουν φύλλα ιτιάς. Στο βάθος, ο ασημένιος αγωγός της Alyeska διασχίζει το άγριο τοπίο, μεταφέροντας αργό πετρέλαιο προς το Βαλντέζ – μια υπενθύμιση του λόγου για τον οποίο οι επιστήμονες βρίσκονται εδώ, σε αυτό το τοπίο που θερμαίνεται.
«Ακολουθούμε τον δρόμο και τον αγωγό όλο το καλοκαίρι», λέει η Άντι Νόρτον, ερευνήτρια στο Woodwell, η οποία μελετά τον αντίκτυπο της επέκτασης των ιτιών στις ροές θρεπτικών ουσιών στα ρέματα της Αλάσκας.
Ένα ρέμα με περισσότερη σκιά σημαίνει ότι παράγονται λιγότερα φύκη μέσω της φωτοσύνθεσης, τα οποία αποτελούν τροφή για τα εφημερόπτερα και τα τριχόπτερα, εξηγεί. Αν όμως περισσότερες ιτιές ρίχνουν τα φύλλα τους, μπορεί να αυξηθεί ο αριθμός των εντόμων που τρέφονται με φυλλώματα – όπως τα πλεκόπτερα. Το ερώτημα είναι αν τα ψάρια και τα πουλιά θα μπορέσουν να αξιοποιήσουν επαρκώς αυτή την αλλαγή. Σε αντίθεση με τα εφημερόπτερα, τα πλεόπτερα γενικά δεν σχηματίζουν μεγάλα σμήνη και εμφανίζονται νωρίτερα, κατά τη διάρκεια του λιωσίματος των χιονιών την άνοιξη.
Η… ανεξερεύνητη εξελικτική διάσωση
Ωστόσο, υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι τα οικοσυστήματα των ρεμάτων και της τούνδρας της Αλάσκας θα συνεχίσουν να λειτουργούν, λέει η Ντίγκαν, αν και επισημαίνει ότι ένα τέτοιο αισιόδοξο αποτέλεσμα αποτελεί προς το παρόν απλώς την καλύτερη εκτίμηση. Ελάχιστες μελέτες έχουν εξετάσει πώς η προσαρμοστική εξέλιξη μπορεί να επηρεάσει τη συνολική λειτουργία των οικοσυστημάτων – συμπεριλαμβανομένης της ροής θρεπτικών ουσιών και ενέργειας – και καμία δεν έχει εξετάσει πώς η εξέλιξη θα μπορούσε να επηρεάσει τις συνδέσεις μεταξύ δύο γειτονικών οικοσυστημάτων.
Τα μεμονωμένα είδη μπορούν να προσαρμοστούν σε έναν θερμότερο κόσμο με τρεις τρόπους. Μπορούν να αλλάξουν τη συμπεριφορά τους, όπως τα πουλιά που μεταβάλλουν τις μεταναστευτικές τους διαδρομές. Μπορούν να εγκλιματιστούν σε φυσιολογικό επίπεδο, όπως τα δέντρα που τροποποιούν προσωρινά τη φωτοσύνθεσή τους κατά τη διάρκεια μιας ξηρασίας. Ή μπορούν να αξιοποιήσουν την εξέλιξη, μεταβιβάζοντας γενετικές αλλαγές στους απογόνους τους, μερικές φορές μέσα σε λίγες μόνο γενιές.
Μελέτες δείχνουν ότι πολλά φυτά και ζώα έχουν καταφέρει να επιβιώσουν μέσω της λεγόμενης «εξελικτικής διάσωσης» – της διαδικασίας κατά την οποία ένας πληθυσμός που βρίσκεται στα πρόθυρα της εξαφάνισης επιβιώνει και ανακάμπτει χάρη σε ταχεία γενετική προσαρμογή. Οι κόκκινοι μίμουλοι στο Όρεγκον και την Καλιφόρνια, για παράδειγμα, εξελίχθηκαν γρήγορα κατά τη δεκαετία του 2010 ώστε να επιβιώσουν από μια τετραετή περίοδο ξηρασίας.
«Σε εκατοντάδες πειράματα, έχουμε δει να συμβαίνει αυτό», λέει ο Μαρκ Ούρμπαν, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ που συμμετέχει στο πρόγραμμα. «Υπάρχει αυτή η απίστευτη ικανότητα της προσαρμοστικής εξέλιξης να λειτουργεί ως ένα είδος προστατευτικού μαξιλαριού».
Το πώς η εξέλιξη ενός είδους μπορεί να βοηθήσει ολόκληρο το οικοσύστημα εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο ένα προσαρμοστικό χαρακτηριστικό μεταφράζεται τελικά σε οικολογικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, αν ένα είδος ψαριού μπορεί να εξελιχθεί γρήγορα, αυτό σημαίνει ότι δεν διατηρείται μόνο ο πληθυσμός του, αλλά και η παραγωγικότητα του ρέματος. «Διατηρούνται επίσης όλες οι οικολογικές ιδιότητες που εξαρτώνται από αυτούς τους πληθυσμούς», λέει ο Ούρμπαν.
Για να αποκτήσουν καλύτερη εικόνα σχετικά με το αν τα υδάτινα και χερσαία οικοσυστήματα της Αρκτικής θα συνεχίσουν να ευημερούν, οι επιστήμονες χαρτογραφούν τη γενετική ποικιλότητα καθενός από τα πέντε είδη της μελέτης, προκειμένου να διαπιστώσουν αν υπάρχει αρκετή ώστε να επιτρέψει την προσαρμογή – και, κατ’ επέκταση, να εκτιμήσουν την ανθεκτικότητα των οικοσυστημάτων.
«Μπορούμε να φτάσουμε μέχρι ένα σημείο με την οικολογία, αλλά κάποια στιγμή θέλουμε να φτάσουμε στα βασικά: γιατί οι οργανισμοί κάνουν αυτά που κάνουν και αν μπορούν να αλλάξουν αυτά που κάνουν», λέει ο Ούρμπαν. «Αυτό μπορεί να το εξηγήσει μόνο η γενετική».
Ορισμένα γονίδια ελέγχουν τα χαρακτηριστικά που συνδέονται με την επιτυχία σε διαφορετικά περιβάλλοντα. «Το Άγιο Δισκοπότηρο της γονιδιωματικής είναι να βρούμε εκείνο το ένα γονίδιο που επηρεάζει τα πάντα. Το γονίδιο που κυβερνά όλα τα υπόλοιπα», λέει. «Νομίζω ότι αυτό είναι υπερβολικά αισιόδοξο. Τα περισσότερα χαρακτηριστικά θα καθορίζονται από εκατοντάδες χιλιάδες γονίδια».
Το είδος «κλειδί» της έρευνας
Ο αρκτικός θύμαλλος είναι, από πολλές απόψεις, το σημαντικότερο είδος της έρευνας των επιστημόνων. Το μεταναστευτικό ψάρι – που ξεχωρίζει για το ιριδίζον σώμα του και το εντυπωσιακό ραχιαίο πτερύγιό του – συνδέει τις υδρολογικές λεκάνες της Αλάσκας, μεταφέροντας θρεπτικά συστατικά μεταξύ ρεμάτων και λιμνών. Είναι επίσης εξαιρετικά ευάλωτο στις κλιματικές αλλαγές. Ο θύμαλλος χρειάζεται κρύο νερό για να αναπτυχθεί σε ενήλικο ψάρι. Τρέφεται με πλεκόπτερα και εφημερόπτερα, τα οποία είναι πιθανό να επηρεαστούν από την αύξηση της θαμνώδους βλάστησης. Παράλληλα, οι απρόβλεπτες καλοκαιρινές ροές των ρεμάτων μπορεί να εμποδίσουν τη μετακίνησή της πίσω στις λίμνες όπου ξεχειμωνιάζει.
«Το χιόνι λιώνει νωρίτερα τα περισσότερα χρόνια, αλλά τα καλοκαίρια γίνονται επίσης πιο ξηρά και οι θύμαλλοι πρέπει να μετακινούνται», λέει ο περιβαλλοντικός οικολόγος Κρις Νιλ, επίσης από το Woodwell, ο οποίος μελετά τις ροές των ρεμάτων, τη χημεία του νερού και τις φυτικές κοινότητες στο πλαίσιο του προγράμματος. Ορισμένα ερεθίσματα ενημερώνουν τους θύμαλλους για το πότε πρέπει να ξεκινήσουν τη μετανάστευσή τους. «Αυτά τα ερεθίσματα μπορεί να είναι προγραμματισμένα στο γονιδίωμά τους – ή μπορεί και όχι».
Τον Μάιο, οι φοιτητές του Πανεπιστημίου της Αλάσκας στο Φέρμπανκς, Μάθιου Ζίμερμαν και Ρομπέρτο Πόνσε Βέλες, ταξίδεψαν σε μια λίμνη λίγο νότια της οροσειράς Μπρουκς, ελπίζοντας να συλλέξουν γονιμοποιημένα αυγά από θύμαλλους που αναπαράγονταν, για ένα πιλοτικό πείραμα. Το να εντοπίσουν μια περίοδο αναπαραγωγής είναι «σαν να προσπαθείς να πετύχεις ένα καρφί με σφυρί», λέει ο Ζίμερμαν.
Τα πράγματα έγιναν ακόμη πιο δύσκολα από εκεί και πέρα. Οι φοιτητές ήλπιζαν να μεταφέρουν το πολύτιμο φορτίο τους πίσω σε ένα εργαστήριο στην πανεπιστημιούπολη, διασχίζοντας τον διαβόητα κακοτράχαλο αυτοκινητόδρομο Ντάλτον. Περισσότερα από τα μισά αυγά καταστράφηκαν κατά τη διαδρομή.
Όσα επέζησαν και έφτασαν στο Φέρμπανκς τοποθετήθηκαν σε τέσσερις δεξαμενές με πέντε διαφορετικές θερμοκρασίες νερού, από 4°C έως 20°C. Παράλληλα, οι φοιτητές συνέλεξαν γονιμοποιημένα αυγά από ένα κανάλι του ποταμού Τσένα, λίγα μίλια έξω από το Φέρμπανκς, όπου οι θύμαλλοι αναπαράγονταν σε θερμοκρασία μόλις 4°C – έξι βαθμούς χαμηλότερη από εκείνη των θύμαλλων στα βόρεια – και τα μετέφεραν στις δεξαμενές.
Η ιδέα είναι ότι, συλλέγοντας είδη από διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές και αναπτύσσοντάς τα μαζί, υπό τις ίδιες συνθήκες, οι επιστήμονες θα μπορέσουν να διαπιστώσουν πώς διαφέρουν οι γενετικές παραλλαγές και οι προσαρμογές σε ολόκληρη την Αρκτική. «Η θερμοκρασία ελέγχει πραγματικά το πόσο γρήγορα αναπτύσσονται τα πράγματα», λέει ο Πόνσε Βέλες. «Υπάρχουν πολλοί συμβιβασμοί. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η ανάπτυξη των ψαριών είναι πολύ ταχύτερη. Όμως έχουμε πολύ υψηλή θνησιμότητα».
Το ερευνητικό endgame
Την επόμενη χρονιά, θα συλλέξουν περισσότερα γονιμοποιημένα αυγά από άλλες λίμνες και ρέματα διάσπαρτα στη βόρεια πλαγιά της Αλάσκας, προκειμένου να δουν πώς ανταποκρίνεται κάθε πληθυσμός στο εργαστήριο.
Οι επιστήμονες του Evome πλησιάζουν στην ολοκλήρωση του πρώτου γονιδιώματος αναφοράς για τον αρκτικό θύμαλλο. Αυτό θα τους επιτρέψει να συγκρίνουν τις διαφορές στις αντιδράσεις των πληθυσμών στις θερμοκρασίες και να αναζητήσουν τα συγκεκριμένα γονίδια που μπορεί να συνδέονται με τοπικές προσαρμογές.
Με τη σύλληψη πουλιών σε δίχτυα ομίχλης, το ξύσιμο βράχων για τη συλλογή φυκών, τη συναρμολόγηση γονιδιωμάτων και τη μεταφορά αυγών θύμαλλου με φορτηγά στον αυτοκινητόδρομο Ντάλτον, οι επιστήμονες ελπίζουν ότι τελικά θα μπορέσουν να προβλέψουν πώς αυτός ο εύθραυστος τόπος στην κορυφή του κόσμου θα καταφέρει να επιβιώσει υπό το βάρος τεράστιων αλλαγών.
Θα καταφέρουν τα ρέματα και η τούνδρα της Αλάσκας να ανακάμψουν, να λυγίσουν ή να σπάσουν εντελώς; «Νομίζω ότι θα υπάρξουν πολλές περιπτώσεις όπου το σύστημα θα λυγίσει», λέει ο Ούρμπαν. «Αλλά θα δούμε επίσης και μερικές περιπτώσεις όπου θα σπάσει ή θα αλλάξει πορεία».
