Kiedy słyszymy hasło ‘Arktyka’ nasze pierwsze skojarzenia biegną w kierunku lodowców czy niedźwiedzia polarnego. I taka jest Arktyka, w dużej mierze jest to kraina geograficzna pokryta lodowcami lub lądolodem, w której żyje największy drapieżnik świata.
Ale w Arktyce oprócz lodu i śniegu jest jeszcze - a może przede wszystkim - tundra, czyli najbardziej na północ wysunięta formacja roślinna na Ziemi.
Często w szkole uczymy się, że na dalekiej Północy nie rośnie nic oprócz mchów i porostów, obalmy więc ten mit od razu. Tundra arktyczna jest bujnie porośnięta w wielu miejscach karłowatymi drzewami, zwanymi krzewinkami (Ryc. 1). Nie są one tak spektakularne dla większości obserwatorów jak chociażby góry lodowe czy wspomniane niedźwiedzie, ale to właśnie w nich kryje się cenny zapis warunków klimatycznych, jakie panowały w Arktyce w przeszłości.
Tundra - karłowaty las Północy
Łopatka ogrodnicza, sekator, mała piła ręczna, taśma maskująca, woreczki strunowe, GPS – to podstawa mojej listy pakowania przed wyjazdem w teren. Jadę badać krzewinki tundrowe, czyli najdalej na północ rosnące rośliny na półkuli północnej i dziś zabieram Was ze sobą w tę wirtualną ekspedycję polarną. Patrząc niejako ‘z drugiej strony’, tundra to położona najbliżej bieguna północnego długożyjąca formacja roślinna. Ja nazywam ją karłowatym lasem. Tak, lasem, bo czy karłowate wierzby, dębiki i brzozy to nie młodsi bracia i siostry drzew z sąsiedniej tajgi? Powiem więcej, pod mikroskopem struktura drewna karłowatych krzewinek i ich niekarłowatych odpowiedników tj. drzew, rosnących chociażby za naszymi oknami, jest bardzo podobna, niemal identyczna.
Zawsze powtarzam, aby zobaczyć las w tundrze trzeba się na niej położyć. Także moi drodzy, kładziemy się na ziemi, leżymy na tundrze. Jest ku Waszemu zdziwieniu nawet miękko i wygodnie. W niskiej Arktyce, jak na przykład w północnej Alasce, tundra w wilgotnym siedlisku może być nawet wyższa od człowieka, także leżąc nie widać nas wcale! Podczas gdy, na najbardziej na północ wysuniętych lądach naszej planety, tundrowe krzewinki są tak małe, że płożąc się tworzą zauważalny jedynie latem zielony dywan. W wysokiej Arktyce tundra jest surowa i żaden krzak nas już nie zasłoni, a my leżąc na tundrze będziemy, mówiąc bardzo obrazowo, wyraźnie widoczni i dla niedźwiedzia i dla renifera.
Arktyczne słoje
Jednak to nie w rozmiarze krzewinek, ale we wnętrzu ich niewielkich pędów i korzeni kryje się prawdziwy skarb. Aby odkryć ten skarb należy spojrzeć w drewno, tj. w miniaturową strukturę słojów przyrostowych krzewinek. Okazuje się bowiem, że krzewinki tundrowe co roku wytwarzają, podobnie jak drzewa w naszych parkach i ogrodach, tzw. słoje przyrostowe. Patrząc na ścięty pień drzewa w naszych lasach z łatwością zauważymy pierścienie rocznego wzrostu, zwane słojami. Pięknie widoczne są one na przykładzie gatunków drzew iglastych, gdzie jedna jasna strefa pierścienia (tzw. drewno wczesne) i jedna ciemna (tzw. drewno późne) tworzą roczny słój przyrostowy. W krzewinkach tundrowych w Arktyce jest podobnie, choć dominują tam gatunki liściaste, z nieco mniej wyraźną na pierwszy rzut oka strukturą anatomiczną drewna. Nauka, która bada słoje, nazywa się dendrochronologia (Krąpiec i Zielski, 2004) i jest z powodzeniem stosowana do badań odległej tundry arktycznej.
Największa różnica między naszymi drzewami a krzewinkami z północy jest jednak taka, że zarówno rozmiary krzewinek, jak i wielkości ich słojów przyrostowych są bardzo zminiaturyzowane w stosunku do drzew z naszej strefy klimatycznej. Aby zobaczyć arktyczne słoje, musimy więc użyć mikroskopu. Dość powiedzieć, że badane przez nas słoje wierzby polarnej z centralnego Spitsbergenu mają średnio zaledwie 50 mikronów, tj. 0,05 mm szerokości! Dzieje się tak z uwagi na surowy klimat panujący w Arktyce, krótki okres wegetacyjny, silne wiatry, długo zalegającą pokrywę śnieżną, ale również przez ubogą w substancje odżywcze pokrywę glebową. Życie na Północy z perspektywy roślin nie jest łatwe, co nie oznacza, że nie jest długowieczne.
Chronologia i klimat
Arktyczne lato jest krótkie i zazwyczaj chłodne, a dodatkowo jest poprzedzone najdłużej trwającą zimą na Ziemi. To nie jest przepis na dobre warunki życia roślin w tundrze, te jednak wykształciły szereg zdolności przystosowawczych i radzą sobie, według mnie, doskonale. Co roku latem krzewinka tundrowa, tak jak drzewa w naszej strefie klimatycznej, wykształca jeden słój przyrostowy. Często taki słój nie jest regularnym pierścieniem i przybiera formę kształtem przypominającą bardziej rogala niż okrąg (Ryc. 2). Ale to nie kształt słoja jest najważniejszy, a jego szerokość. Zazwyczaj ciepłe i długie lato krzewinka zapisuje w formie szerokiego słoja, a lato zimne i krótkie w postaci słoja wąskiego, często nieregularnie wykształconego lub nawet zanikającego. Dla każdej krzewinki naukowcy mierzą więc średnią szerokość słoja przyrostowego wykształconego w danym roku kalendarzowym. Tworzona jest tym samym chronologia, tj. sekwencja szerokości słojów przyrostowych zaszeregowanych chronologicznie do lat kalendarzowych (Ryc. 3).
Arktyczne puzzle
W bardzo zimne lato w Arktyce wysokiej warunki mogą być na tyle surowe, że dana krzewinka może nie wykształcić słoja przyrostowego. Dlatego tak ważne jest badanie populacji krzewinek i porównywanie wzorca przyrostowego pojedynczych krzewinek zarówno pomiędzy różnymi częściami krzewinki (słoje wykształcane są zarówno w pędach podziemnych, jak i nadziemnych krzewinki), jak i pomiędzy grupą krzewinek z danej lokalizacji. Brzmi to skomplikowanie? Na pewno wymaga to czasu, ale przy dozie cierpliwości i dociekliwości udaje się finalnie poskładać te arktyczne puzzle i skonstruować chronologię wzrostu danego gatunku krzewinki dla wybranej lokalizacji w Arktyce. Dzięki tej jednej krzywej możemy poznać historię klimatu, zazwyczaj temperaturę lata, jaka panowała w danym obszarze Arktyki w okresie wzrostu krzewinek. A im starsze krzewinki, tym nasze poznanie klimatu w rocznej rozdzielczości słojów przyrostowych jest dłuższe i pełniejsze.
Ciepło i sucho
Dużo słyszymy obecnie o ociepleniu klimatu, szczególnie w Arktyce. I mogłoby się wydawać, iż coraz cieplejszy klimat będzie sprzyjał szerszym słojom przyrostowym, a krzewinki coraz bujniej zazielenieją nam Arktykę. Scenariusz ten jest jednak bardziej skomplikowany. Prawdą jest, że w większości lokalizacji w Arktyce wraz z ociepleniem klimatu krzewinki rosną coraz bujniej, tj. wzrasta wysokość krzewinek czy powiększa się obszar przez nie zasiedlany (Myers-Smith I in. 2015, Bjorkman i in 2018).
Najnowsze doniesienia naukowców wskazują jednak na coraz większą rolę dostępności wilgoci dla wzrostu krzewinek na dalekiej Północy (Gamm i in. 2018, Buchwal i in. 2020, Owczarek i in. 2021). Podobnie dzieje się na obszarach tundry alpejskiej, np. w Alpach (Francon et al. 2021). Doniesienia te są niepokojące i mogą wskazywać, iż krzewinki tundrowe niejako nie nadążają za zmianami klimatycznymi, które z ich perspektywy zachodzą w zbyt szybkim tempie. Coraz cieplejsza Arktyka staje się w wielu regionach coraz bardziej sucha, co nie sprzyja wzrostowi krzewinek. A krzewinka tundrowa, tak jak każda roślina, potrzebuje do życia i odpowiedniej temperatury, i dostępnej wilgoci.
Krzewinkowi meteorolodzy
Ile lat ma najstarsza krzewinka w Arktyce? To pytanie słyszę najczęściej i przyznam, że pozostaje ono nadal otwarte. Każdy naukowiec może z przeglądu swojej kolekcji krzewinkowej indywidualnie odpowiedzieć na to pytanie. W naszej poznańskiej kolekcji są ponad stuletnie okazy karłowatej brzozy z północnej Alaski czy zachodniej Grenlandii. Najstarsze są karłowate jałowce, te z południowo-zachodniej Grenlandii (ponad 230 lat) czy subarktycznej północnej Szwecji (ponad 300 lat). Podczas gdy na naszych terenach toczyły się walki wojsk napoleońskich, tam na Północy (i to Północy znacznie chłodniejszej niż dzisiaj, w której panował klimat tzw. Małej Epoki Lodowej) krzewinki tundrowe spokojnie formowały słoje rocznego przyrostu. Nie było wówczas żadnej stacji meteorologicznej w Arktyce, zatem praca krzewinek, a przede wszystkim zapis historii klimatu w ich niewielkich słojach jest dla nas bezcenny. Można by zatem powiedzieć, że krzewinki tundrowe to taka pierwsza służba meteorologiczna w Arktyce, która cierpliwie zapisała np. średnie warunki temperatury okresu wzrostu dla każdego minionego roku kalendarzowego, w jakim przyszło im przyrastać.
Wybiegając w przyszłość
Polscy badacze obszarów polarnych od ponad dekady badają krzewinki z różnych regionów Arktyki pod kątem ich przyrostów rocznych. Badania nad karłowatymi wierzbami prowadzone były m. in. w południowym (Owczarek 2009, 2010a, 2010b, Owczarek i in. 2014, Owczarek i Opała 2016) i centralnym (Buchwal i in. 2013, Buchwal 2014, Siekacz 2016, Le Moullec i in. 2019) Spitsbergenie, zachodniej (Hollesen i in. 2015, Buchwal i in. 2015) i północno-wschodniej (Buchwal i in. 2019) Grenlandii, południowo-wschodniej części Zatoki Hudsona (Opała-Owczarek i in. 2018), północnej Alasce (Buchwal i in. 2020) czy Wyspie Niedźwiedziej (Owczarek i in. 2021). Mimo równie dużej ilości prac prowadzonych w zagranicznych ośrodkach naukowych nad krzewinkami, wiele obszarów tundry pozostaje nadal niezbadanych. Otwiera to zatem wciąż wiele możliwości do eksploracji Arktyki i jej przeszłości klimatycznej zapisanej w rocznej rozdzielczości słojów krzewinek tundrowych. Kto wie, być może i wśród niejednego czytelnika i czytelniczki tego artykułu zrodzi się naukowy pomysł i pasja do odkrywania arktycznych pierścieni w karłowatym lesie Północy - do czego gorąco zachęcam. Nie ma nic piękniejszego niż eksploracja tajemnic przyrody Arktyki, w której dzielnie krzewinki tundrowe zapisały i nadal zapisują historię klimatu tego najbardziej na północ wysuniętego obszaru naszej planety.
Tekst i zdjęcia: dr Agata Buchwał
Ryc. 1. Tundra krzewinkowa w Arktyce: (górne zdjęcie) Północna Alaska, Góry Brooksa z karłowatymi wierzbami i dębikami na pierwszym planie w jesiennej szacie (początek września); (dolne zdjęcie) zachodnia Grenlandia, okolice Kangerlussuaq (koniec lipca) z dwoma gatunkami wierzb, których wysokość przekracza 1,5 metra.
Ryc. 2. Słoje wierzby polarnej z centralnego Spitsbergenu widziane pod mikroskopem. Aby zobaczyć słoje musimy przygotować bardzo cienki preparat mikroskopowy. W tym celu specjalną ‘krajalnicą’, tzw. mikrotomem, ścinamy wybraną część krzewinki (zazwyczaj główny korzeń lub pęd nadziemny) tak, aby uzyskać przekrój poprzeczny. Tak ścięty plaster barwimy następnie mieszaniną dwóch barwników (tj. czerwonego i niebieskiego), aby uwypuklić kontrast pomiędzy poszczególnymi strukturami anatomicznymi. Czarny okręg na zewnątrz przeźrocza to gruba kora, która chroni krzewinkę przed niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi.
Ryc. 3. Chronologia wierzby polarnej z centralnego Spitsbergenu (zielona linia) skonstruowana dla okresu 1941-2010 na podstawie szczegółowego datowania 10 krzewinek i łącznie 142 przekrojów poprzecznych wykonanych z tych krzewinek (patrz: Buchwal i in. 2013). Chronologia wierzby polarnej porównana została z przebiegiem średnich wartości temperatury powietrza okresu letniego (tj. od czerwca do sierpnia) pomierzonych na stacji meteorologicznej w okolicy miasteczka Longyearbyen zlokalizowanym w centralnym Spitsbergenie (ok. 70 km od miejsca wzrostu krzewinek). Badania klimat-wzrost dla wierzby polarnej w tej lokalizacji wykazały, iż szerokie przyrosty wykształcone zostały podczas ciepłych okresów letnich, podczas gdy przyrosty wąskie charakteryzują lata chłodne.
Bibliografia:
Bjorkman A.D., Myers-Smith I.H., Elmendorf S.C., Normand S., Rüger N. i in. (2018) Plant functional traits change across a warming tundra biome. Nature 562: 57-62
Buchwal A., Rachlewicz G., Fonti P., Cherubini P., Gärtner H. (2013) Temperature modulates intra-plant growth of Salix polaris from a high Arctic site (Svalbard). Polar Biology 36(9), 1305-1318
Buchwal A. (2014) Constraints on dendrochronological dating of Salix polaris from central Spitsbergen. Czech Polar Reports, 4(1): 73-79
Buchwał A., Szczuciński W., Strzelecki M.C. , Long A.J. (2015) New insights into the 21 November 2000 tsunami in west Greenland from analyses of tree-ring structure of Salix glauca. Polish Polar Research 36(1): 51-65
Buchwal A., Weijers S., Blok D., Elberling B. (2019) Temperature sensitivity of willow dwarf shrub growth from two distinct High Arctic sites. International Journal of Biometeorology 63(2):167-181
Buchwal A., Sullivan P. F., Macias-Fauria M., Post E., Myers-Smith I., Stroeve J. C., Blok D., Tape K. D., Forbes B. C., Ropars P., Lévesque E., Elberling B., Angers-Blondin S., Boyle J. S., Boudreau S., Boulanger-Lapointe N., Gamm C., Hallinger M., Rachlewicz G., Young A., Zetterberg P., Welker J. M. (2020) Divergence of Arctic shrub growth associated with sea ice decline. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117 (52), 33334-33344
Francon L., Corona C., Till-Bottraud I., Choler P., Roussel E., Carlson B. Z., Morin S., Girard B., Markus S. (2021) Shrub growth in the Alps diverges from air temperature since the 1990s. Environmental Research Letters 16, 074026
Gamm C.M., Sullivan P.F., Buchwal A., Dial R., Young A.B., Watts D.A., Cahoon S.M.P., Welker J.M., Post E. (2018) Declining growth of arctic shrubs in the warming climate of continental western Greenland. Journal of Ecology 106: 640-654
Hollesen J., Buchwal A., Rachlewicz G., Hansen B.U., Overgaard M., Stecher O. Elberling B. (2015) Winter warming as an important co-driver for Betula nana growth in Western Greenland during the past century. Global Change Biology 21: 2410-2423
Krąpiec M., Zielski A. (2004) Dendrochronologia. PWN. ss. 328
Le Moullec M., Buchwal A., Van der Wal R., Sandal L., Hansen B.B. (2019) Annual ring growth of a widespread high-arctic shrub reflects past fluctuations in community-level plant biomass. Journal of Ecology 107(1): 436-451
Myers-Smith I.H., Elmendorf S., Beck P., Wilmking M., Hallinger M., i in. (2015) Climate sensitivity of shrub growth across the tundra biome. Nature Climate Change 5(9): 887-891
Opała-Owczarek M., Owczarek P., Łupikasza E., Boudreau S., Migała K. (2020) Influence of climatic conditions on growth rings of Salix uva-ursi Pursh from the South-Eastern Shore of Hudson Bay, subarctic Canada. Arctic, Antarctic and Alpine Research 52, 87-102
Owczarek P. (2009) Dendrogeomorphological potential of Salicaceae from SW Spitsbergen, Svalbard. R. Kaczka, I. Malik, P. Owczarek, H. Gärtner, G. Helle, I. Heinrich (eds.): TRACE -Tree Rings in Archaeology, Climatology and Ecology 7, Scientifi c Technical Report. GFZ, Potsdam. 181-186
Owczarek P. (2010a) Talus cone activity recorded by tree-rings of Arctic dwarf shrubs: a study case from SW Spitsbergen, Norway. Geologija 52: 34-39
Owczarek P. (2010b) Dendrochronological dating of geomorphic processes in the High Arctic. Landform Analysis 14: 45-56
Owczarek P., Nawrot A., Migała K., Malik I., Korabiewski B. (2014) Flood-plain responses to contemporary climate change in small High Arctic basin (Svalbard, Norway). Boreas, 43: 384-402
Owczarek P., Opała M. (2016) Dendrochronology and extreme pointer years in the tree-ring record (AD 1951–2011) of polar willow from southwestern Spitsbergen (Svalbard, Norway) Geochronometria 43, 84-95
Owczarek P., Opała-Owczarek M., Migała K. (2021) Post-1980s shift in the sensitivity of tundra vegetation to climate revealed by the first dendrochronological record from Bear Island (Bjørnøya), western Barents Sea. Environmental Research Letters 16, 014031
Siekacz L. (2016) Charakterystyka cech przyrostowych krzewinek Salix polaris poddanych działaniu osuwisk oraz soliflukcji. Studia i Materiały CEPL w Rogowie 18 (48), 141-149
