Økologisk vendepunkt:5+ El Nino-begivenheder pr. århundrede kontrollerer kystbiotiske samfund

El Niño/Southern Oscillation (ENSO) er et globalt klimafænomen, der er mest berømt for El Niño-fasen karakteriseret ved varme havoverfladetemperaturer i det østlige Stillehav, intense vinterstorme og høj nedbør. El Niño påvirker planter, dyr og mennesker rundt om i verden ved at ødelægge stillehavsfiskeri, udløse tørke i nogle dele af verden og forårsage massive oversvømmelser i andre.

Mange modeller forudsiger, at klimaændringer vil sætte skub i stærkere og hyppigere El Niño-begivenheder. Vores viden om ENSO og dets indflydelse på økosystemer fra historiske eller instrumentelle optegnelser strækker sig dog kun omkring 200 år tilbage, hvilket gør det svært at forstå, hvad den langsigtede fremtid vil bringe for en El Niño-dominerende verden.

Et team af forskere ledet af University of Utah lavede en finkornet analyse af El Niños indvirkning på dyresamfund, der spænder over de sidste 12.000 år. Undersøgelsen blev offentliggjort online i tidsskriftet Science den 8. september 2022.

I den nye undersøgelse udnyttede forfatterne et kystnært klippeskjul kaldet Abrigo de los Escorpiones (Escorpiones), en af ​​de største og bedst daterede samlinger af hvirveldyrknogler deponeret af mennesker og rovfugle på Stillehavskysten i Nordamerika. Stedet blev udgravet af Ruth Gruhn og Alan Bryan fra University of Alberta mellem 2000-2004. For denne undersøgelse fokuserede forfatterne på fiske- og fuglefaunaen, idet de identificerede arter fra små fragmentariske knoglestykker. De sammenlignede derefter faunasamlingerne med sedimentlagene i Ecuadors Pallcacocha-sø, en af ​​de mest anvendte, kontinuerlige registreringer af forhistoriske El Niño-begivenheder.

Deres analyse afslørede et slående mønster - når fem eller flere store El Niño-begivenheder fandt sted pr. århundrede, omstrukturerede de marine og terrestriske økosystemer sig dramatisk til en fase med lav havproduktivitet og høj terrestrisk produktivitet. Det fem-per-århundrede vendepunkt fandt først sted for omkring 7.000 år siden og fortsatte i adskillige årtusinder, hvilket førte til en periode med stabil, men lav havproduktivitet.

Hvis stærke El Niño-begivenheder øges i fremtiden, som mange klimamodeller nu projekterer, tyder denne økologiske tærskel på, at ENSO vil spille en stadig vigtigere rolle i at kontrollere strukturen af ​​fremtidige land- og marineøkosystemer i det østlige Stillehav og jordens biosfære mere bredt.

"Vores begrænsede erfaringsvindue med El Niño får os til at tro, at mere El Niño er lig med mere variabilitet, mere forandring, flere skift. Men vores opfattelser er udelukkende baseret på et meget snævert tidsvindue i den moderne æra, som på det store skema med ting, er en periode, hvor El Niño er meget ualmindeligt," sagde Jack Broughton, professor i antropologi ved University of Utah og seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi har vist, at i det store billede er masser af El Niño lig med masser af stabilitet. For kystsamfund i det østlige Stillehav betyder dette en stabil strækning af uproduktive marine økosystemer. Og det har enorme konsekvenser for så mange forskellige aspekter af livet på Jorden ."

I ikke-El Niño-år vrimler den østlige stillehavskyst med liv på grund af koldt, næringsrigt vand, der strømmer op til overfladen og opretholder de planktonsamfund, som livet i havet er baseret på. Under El Niño bliver havoverfladen meget varmere, hvilket får planktontæthederne til at styrtdykke. Dette bølger gennem de øvre trofiske niveauer - de små fisk, der spiser planktonet, de større fisk, der spiser de små fisk, fuglene, der spiser fiskene, havpattedyrene, der spiser fuglene, og fiskene. I modsætning hertil forårsager El Niño kraftig regn i regionens terrestriske økosystemer, hvilket producerer en velsignelse af produktivitet for landbaserede ressourcer. Dette stemmer overens med en undersøgelse fra 2015, hvor Broughton og samarbejdspartnere fandt ud af, at kaninpopulationer var stærkt kontrolleret af El Niño-variation, baseret på data fra Escorpiones og Lake Pallcacocha.

Sammen med implikationer for fremtiden belyser resultaterne vigtige øjeblikke i vores fortid, herunder menneskelig migration til Amerika, den variable menneskelige brug af kystnære og indre habitater og udryddelsen af ​​den flyvende and Chendytes.

Et klippeskjul og en søbund:ekstraordinære arkiver

Regn og vand fra det omkringliggende højland er strømmet ind i Pallcacocha-søen i de sidste 12.000 år. Under store regnbyger, der er signaturer på El Niño-begivenheder, strømmer en enorm mængde materiale ud i søen og lægger sig på bunden i et tykt, lyst lag. I årene med færre El Niño-begivenheder lægger sedimentet sig i meget tyndere, mørkere lag. Tidligere arbejde radiocarbon-dateret hvert lag og opdelt dem i hundrede år. De tykke bands korrelerede præcist med instrumentelle og historiske optegnelser over stærke El Niño-begivenheder gennem de sidste ~200 år.

Escorpiones rockshelter, der ligger på den nordvestlige kyst af Baja California, Mexico, indeholder en 26 fod (8 meter) dyb aflejring af kasserede skaller, dyreknogler og arkæologiske artefakter med 97 radiocarbon-datoer, der afslører en 12.000-årig kronologisk historie om aflejringer af mennesker og rovfugle. Denne undersøgelse identificerede 18.623 havfisk og marine og terrestriske fugleprøver, der repræsenterede 132 arter, omhyggeligt arbejde, der blev udført i løbet af de sidste 14 år. Forskerne organiserede prøverne i 100-årige intervaller for at tilpasse sig paleo-ENSO-rekorden.

Pallcacocha afslørede et næsten fravær af ENSO for mellem 11.000 og 7.000 år siden, hvor El Niño-frekvensen steg dramatisk for mellem 7.000 og 5.000 år siden. I Escorpiones optegnelser var fugle- og fiskearter ekstremt varierende, før ENSO dukkede op. Da El Niño gik ind i højfrekvensfasen, omstrukturerede dyresamfundene sig dramatisk og forblev derefter relativt stabile. Havfugle, såsom almindelig murre og skjære, og fiskearter forbundet med koldt vand, såsom stenbider og tangbass, var i høj overflod, da El Niño-begivenheder var sjældne, men faldt dramatisk efter den højfrekvente fase begyndte. Derudover eksploderede terrestriske fuglearter i løbet af de stærke El Niño-år.

"Dette magiske tal er fem stærke El Niño-begivenheder pr. århundrede - vi har ikke bare øje på det. Det er baseret på statistiske test, der viser os, at hele faunaer ændrer sig på denne måde, ikke kun nogle få isolerede arter," sagde Broughton.

Menneskelig migration, arealanvendelse og udryddelse af and uden fly

Dette økologiske vendepunkt har vidtrækkende konsekvenser, herunder for vores forståelse af menneskelig kolonisering af Amerika. Resultaterne understøtter "Kelp Highway Hypothesis", der hævder, at tidlige bosættere ville have fulgt sunde tangskove fra det nordøstlige Asien, over Beringstrædet og ind i Amerika. Ifølge Escorpiones optegnelser havde den østlige Stillehavskyst El Niño-fri, næringsrige tangskove for omkring 12.000 år siden, da mennesker menes at have foretaget rejsen.

Undersøgelsen viser også, at tidligere mennesker var følsomme over for disse ændringer og tilbragte langt mere tid ved kysten - ved Escorpiones - i de perioder, hvor El Niño var sjælden, og havmiljøet var yderst produktivt. De flyttede væk fra stedet, formodentlig ind i det indre, i løbet af El Niño-årene, hvor terrestriske levesteder blomstrede.

"Denne optegnelse giver et glimt af, hvordan tidligere befolkninger tilpassede sig specifikke udfordringer forårsaget af klimaændringer, i dette tilfælde ved at migrere til mere produktive miljøer, når kystnære økosystemer faldt," sagde Brian Codding, professor i antropologi ved U og medforfatter på undersøgelse. Registreringen af ​​hyppigheden af ​​menneskelig webstedsbrug var baseret på tendenser i frekvensen af ​​genfundne artefakter pr. århundrede.

Resultaterne tyder også på, at El Niño spillede en rolle i udryddelsen af ​​Chendytes , en flyvende and på størrelse med gåse, der formodes at være blevet overjaget af mennesker. Escorpiones har givet den mest detaljerede beretning om andens historie og antyder, at mens folk havde spist den i mindst 6.000 år, forsvandt den først lige omkring den periode, hvor El Niño-frekvenserne stiger dramatisk, og hvor der var masser af andre ændringer i den marine økologi, herunder lavninger af andre havfugle.

"Den detaljerede optegnelse fra Escorpiones illustrerer vigtigheden af ​​miljøændringer for at drive udryddelsen af ​​Chendytes , som udholdt årtusinder af menneskelig prædation for kun at forsvinde, efter at El Niño-begivenheder blev hyppigere," sagde Tyler Faith, lektor i antropologi ved U, kurator ved Natural History Museum of Utah og medforfatter på undersøgelsen.

Næste trin

Der er nogle begrænsninger for undersøgelsen. Søen registrerer kun moderate eller stærke El Niño-begivenheder, så forfatterne kunne ikke vurdere, om svage El Niño-begivenheder påvirkede faunaen. Yderligere arbejde med at evaluere mønstre mellem svage og stærke El Niño-begivenheder kan afklare dette problem. For yderligere at forstå disse mønstre analyserer forskerne i øjeblikket, hvordan pattedyr såsom sæler, havoddere og søløver blev påvirket af El Niño, og om yderligere El Niño-tærskeleffekter på millenniumskalaen kan være til stede.

Der er mange andre faktorer, der påvirker de marine og terrestriske økosystemer i undersøgelsesområdet, herunder andre klimatiske systemer og processer. Forfatterne understreger dette - men det ser ud til, at El Niño kontrollerer de marine/terrestriske økosystemer, når det sker meget. I faser, hvor ENSO er stille, har andre oceanografiske eller klimasystemer (såsom Pacific Decadal Oscillation, North American Monsoon) vigtige virkninger.

"El Niño-begivenheder har den mest kontrollerende effekt på disse økosystemer, når de forekommer ud over den kritiske tærskel på fem gange pr. århundrede," sagde Broughton. "Hvis stærke El Niño-begivenheder stiger i fremtiden, tyder vores analyse på, at jordbaseret produktivitet vil stige, men det østlige Stillehavs marine økosystemer vil blive tvunget tilbage til en mere stabil, men mindre produktiv tilstand."

Andre medforfattere til undersøgelsen er Joan Coltrain og Isaac Hart fra University of Utah, Kathryn Mohlenhoff fra Paleowest og Ruth Gruhn fra University of Alberta. + Udforsk yderligere

ENSO-kombinationstilstandens rolle i vedligeholdelsen af ​​den unormale anticyklon over det nordlige Stillehav i den boreale sommer