محطة Toolik Field ، ألاسكا - في أعالي القطب الشمالي ، على بعد أكثر من 160 كيلومترًا (100 ميل) من أقرب مدينة ، يوجد مسار واهٍ مغطى بالخشب. عرض لوح واحد أو لوحان فقط ، وتغطي الثلوج لمدة تسعة أشهر من السنة. ولكن من يونيو إلى أغسطس ، يطل الممر من خلاله ، ويمر عبر قطع صغيرة مستطيلة من التندرا - مناطق في أقصى الشمال حيث يكون الجو باردًا ومظلمًا للغاية في معظم أيام العام لدعم النباتات التي يزيد ارتفاعها عن بضعة سنتيمترات (بوصات).
القصة تستمر أسفل الصورة.
تبدو بعض هذه الأراضي تمامًا مثل المناظر الطبيعية المحيطة. تملأ الثياب العشبية المنخفضة والشجيرات والطحالب. تنفجر البقع الأخرى - بعضها مفتوح والبعض الآخر محمي بقماش القنب الصغير - بالحياة مثل الحدائق غير المزروعة. هناك أزهار وردية طويلة ومشرقة تلوح في النسيم. بعض الشجيرات ترتفع تقريبًا بما يكفي لتسمى شجرة.
تتخطى Laura Gough الألواح الخشبية بين قطع أراضي التندرا بسهولة تامة. في كل قطعة ، تتوقف وتحدق في الأرض باهتمام. غوف عالم بيئة نباتية يدرس المجتمعات النباتية في جامعة توسون بولاية ماريلاند. لكنها تعمل هنا في الصيف ، في محطة Toolik Field في منطقة North Slope في ألاسكا. إنها تراقب تجربة علمية تم إجراؤها بشكل أو بآخر لأكثر من 40 عامًا.
قطع النباتات الرقيقة المتضخمة ليست من قبيل الصدفة. قامت غوف وزملاؤها بتخصيب ترابهم.
الهدف هو معرفة كيف سيكون رد فعل القطب الشمالي عندما يتم دفع تربته إلى أقصى الحدود. ولا شيء يدفع القطب الشمالي إلى حافة الهاوية مثل تغير المناخ تمامًا. في جميع أنحاء العالم ، ارتفعت درجات الحرارة منذ عقود. عندما يحرق الناس الوقود الأحفوري (مثل الفحم والنفط والغاز) ، ينبعث ثاني أكسيد الكربون (CO) وغازات الاحتباس الحراري الأخرى في الغلاف الجوي. إنهم يحبسون حرارة الشمس ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة. في القطب الشمالي ، سيكون لدرجات الحرارة الأكثر دفئًا تأثير كبير.
الشرح:الاحتباس الحراري وتأثيرات الاحتباس الحراري
في جميع أنحاء القطب الشمالي المرتفع ، مساحات شاسعة من التربة الصقيعية - تربة شديدة التجمد - الجلوس على بعد أمتار قليلة (ياردات) تحت التربة. مع ارتفاع درجة حرارة هذه المنطقة ، يمكن أن يذوب المزيد والمزيد من الجليد السرمدي كل صيف. تحتوي هذه التربة على نباتات قديمة وميكروبات وعظام حيوانات. من المحتمل أن تظل جميعها مجمدة لآلاف السنين. إذا ذابت التربة الصقيعية ، فإن تلك النباتات والحيوانات القديمة ستبدأ أخيرًا في التعفن. سوف تتحلل إلى جزيئات تحتوي على نيتروجين و الفوسفور - الكيماويات التي تساعد النباتات على النمو. بمعنى ما ، إذن ، فإن قبو التخزين الضخم للتربة المجمدة مليء بالأسمدة الطبيعية في انتظار إطلاقها.
لا يعرف العلماء بالضبط ما سيحدث عندما تذوب التربة الصقيعية. ولكن من خلال إنشاء حديقة مخصبة في وسط القطب الشمالي ، قد تجد غوف وزملاؤها أدلة على الكيفية التي سيغير بها ذوبان التربة الصقيعية التندرا. مع 40 عامًا من الأسمدة والكثير من الصبر ، قد يتمكن العلماء من التنبؤ بالمستقبل - وإظهار الشكل الذي قد تبدو عليه التندرا الأكثر دفئًا.
رعاية حديقة القطب الشمالي
الشرح:قوة التسميد لـ N و P
تحتاج النباتات إلى النيتروجين والفوسفور لتنمو. في الوقت الحالي ، يعاني التندرا من مشاكل النيتروجين والفوسفور. عندما تموت الكائنات الحية هنا ، فإنها غالبًا ما تتجمد في التربة الصقيعية بدلاً من أن تتحلل. هذا يحافظ على النيتروجين محاصرًا داخل الأنسجة. يرتبط الفوسفور في الغالب بمعادن التربة. لتحرير هذا الفسفور للنباتات ، هناك حاجة إلى الميكروبات النشطة. لكن في التندرا ، تميل الميكروبات إلى أخذ الحياة ببطء. يوضح غوف:"الميكروبات مجمدة ومبللة". في التربة المغمورة والباردة ، لا تستطيع الميكروبات الحصول على الأكسجين الذي تحتاجه. هذا يبطئ التحلل ، كما توضح.
مع احتباس النيتروجين والفوسفور في التربة الصقيعية ، ليس لدى النباتات والكائنات الأخرى الكثير لتعيش عليه. بمرور الوقت ، تكيفوا مع نظام التجويع هذا. ولكن ماذا سيحدث إذا تم إطلاق النيتروجين والفوسفور فجأة؟ وهنا يأتي دور تجربة Toolik.
في البداية ، أراد الباحثون أن يروا كيف تتفاعل العوامل البيئية - مثل درجة الحرارة والضوء والمغذيات - وتؤثر على نمو النبات ، كما يتذكر Gaius Shaver. إنه عالم بيئة نباتية في مختبر الأحياء البحرية في وودز هول ، ماساتشوستس. بدءًا من عام 1976 ، بدأ هو وعلماء آخرون في إضافة الأسمدة إلى قطع صغيرة من تربة القطب الشمالي. في البداية استخدموا كمية من السماد مماثلة لما أضافه المزارعون إلى حقولهم. كان هذا أكثر بعدة مرات من النيتروجين والفوسفور مما يمكن أن تستخدمه نباتات القطب الشمالي بالفعل.
في النهاية قرر الباحثون تطبيق كمية أكثر واقعية - ما قد تواجهه النباتات في التندرا بالفعل. وهذا يعني كمية أقل من الأسمدة.
تتحرك الحياة على التندرا بوتيرة جليدية ، وهذا يعني أن العلماء سيضطرون إلى تخصيب - وجمع البيانات - لفترة طويلة جدًا جدًا جدًا. لقد خططوا لقضاء أطول فترة ممكنة في القطب الشمالي قدر الإمكان. ليس فقط سنوات. عقود.
عندما بدأوا ، لم يكن تغير المناخ حقاً في أذهانهم. "تغير المناخ لم يكن مفهوما جيدا. يتذكر غوف ما كان سيحدث لم يكن واضحًا. كان بحث تخصيب التندرا مجرد واحد من العديد من المشاريع في المواقع حول العالم في ما يعرف بشبكة البحوث البيئية طويلة المدى (LTER).
يقوم العلماء في هذه الشبكة بإجراء العديد من أنواع التجارب. يراقب البعض ما يحدث. قد يغير آخرون البيئة. عبر الشبكة ، درس الباحثون ، من بين أمور أخرى ، كيف تتفاعل النظم البيئية المختلفة بمرور الوقت مع مستويات مختلفة من المغذيات. قامت المجموعات بنشاط بتخصيب مناطق الأراضي الرطبة والمروج والغابات والمزيد.
الشرح:كيف يعرف العلماء أن الأرض تزداد احترارًا
لكن بعد سنوات قليلة فقط من مشروع التندرا ، بدأ العلماء يفكرون في درجة الحرارة بالإضافة إلى غذاء النبات. بعد كل شيء ، ترتفع درجة حرارة القطب الشمالي أسرع من بقية الكوكب. إذا أصبح الجو دافئًا بدرجة كافية لذوبان المزيد من التربة الصقيعية ، فقد توصل الباحثون إلى أن النيتروجين والفوسفور يمكن أن يفيضان في النظام البيئي. ستواجه نباتات القطب الشمالي فجأة مكافأة غذائية غير متوقعة.
وسرعان ما لم يكتف العلماء بإضافة النيتروجين والفوسفور فحسب ، بل أضافوا أيضًا الأقمشة البلاستيكية لتغطية بعض قطع الأرض. تحت سقيفة بلاستيكية صغيرة ، لن تحصل النباتات على سماد إضافي فحسب ، بل ستحصل أيضًا على دفء إضافي.
الزحف البطيء للتغيير
تحدث الأشياء ببطء في القطب الشمالي. حتى مع تغير المناخ ، لا يزال الجو دافئًا بما يكفي لنمو النباتات لمدة ثلاثة أشهر من العام. ولكن بعد أكثر من ثلاثة عقود من الإخصاب والاحترار وتدوين الملاحظات ، ظهرت تغيرات في النظام البيئي.
في قطع الأراضي المخصبة من التندرا ، يلاحظ الحلاقة أن نمو النبات يمكن أن يتضاعف. لكن النباتات لا تضع المزيد من الأوراق. يقول شيفر:"معظم المواد النباتية في [الأراضي المخصبة] هي السيقان - السيقان الخشبية". "لقد شهدنا هذا الانفجار الهائل من الكتلة الحيوية الخشبية."
تلك السيقان الخشبية هي الوافدين الجدد. تقول غوف إنه حيث كانت هناك رقعة من التندرا ذات مرة تنمو فيها أعشاب بطيئة النمو ، فإن السماد يساعد الشجيرات الخشبية على التحرك. "نحن نطلق عليها اسم" الشجيرة "، كما تقول.
ومع ذلك ، فإن عالم الشجيرات ليس متنوعًا مثل عالم عشبي. يقول جوف:"إننا نرى فقدانًا للعديد من الأنواع". لقد رأت أيضًا تكاثر الزهور الوردية الجميلة في قطع أراضيها الدافئة والمخصبة. تلك الزهور هي الأعشاب النارية. ولا ينبغي أن يكونوا هناك. فايرويد هو غازية محيط. حشيش. من المفترض أن تعيش في أقصى الجنوب ، في غابات أسفل التندرا. لكنها الآن تتحرك شمالًا ، تتبع الناس وطرقهم. تقول:"لقد تم إدخالها في كل قطعة أرض مخصبة نحافظ عليها تقريبًا". تعيش الأعشاب النارية فقط في الأراضي المخصبة. وحيثما تزدهر ، كان يجبر النباتات الأخرى على الخروج.
أسماك مخصبة
ليست النباتات فقط هي التي تشعر بالفرق. المغذيات لا تبقى في مكان واحد ، خاصة عندما يتعلق الأمر بالماء. بمرور الوقت ، يتدفق النيتروجين والفوسفور مع الماء. من الأرض ، يتجهون إلى أسفل التل ، ويتدفقون إلى بحيرات وأنهار القطب الشمالي.
الكثير من الأسمدة يمكن أن تسبب الموت لسكان البحيرة. يضاف النيتروجين والفوسفور ، وتزدهر الطحالب والنباتات بسرعة. في البداية ، قد تنمو الأسماك في البحيرة بسرعة مع المزيد من النباتات لتتغذى عليها. ولكن عندما تموت المساحات الخضراء ، فإنها تغوص في القاع. هناك ، يتغذى سكان قاع البحيرة من الميكروبات على جثث النباتات المتعفنة. في هذه العملية ، تستهلك هذه الميكروبات الكثير من الأكسجين الموجود في الماء. مع انخفاض مستويات الأكسجين ، يمكن أن تموت الحياة المائية الأخرى ، مثل الأسماك. هذه العملية - تسمى التخثث - معروف في المناطق ذات درجات الحرارة المعتدلة.
يقول غوف ، قم بتخصيب بحيرة في القطب الشمالي ، والعملية هي نفسها. تتذكر أن إضافة العناصر الغذائية "امتص الأكسجين من البحيرة". "كان لا بد من إيقاف العديد من تجارب الإخصاب طويلة المدى لأن العلماء كانوا يخشون أنهم سيقتلون كل شيء في [الماء]." ومع ذلك ، استمر العلماء في دراسة البحيرات ، حتى بعد توقف هذا الإخصاب.
الآن ، حتى بعد مرور 10 سنوات ، لم تتعافى مستويات الأكسجين في البحيرات المخصبة.
بمجرد دخول البحيرة ، يبقى السماد في مكانه. لا تزال عالقة في المياه الراكدة. لكن في الدفق ، فإنه يتماشى مع التدفق.
تغذية التدفقات
يحفز النيتروجين والفوسفور نمو الطحالب والطحالب والكائنات الدقيقة التي تسمى الدياتومات . بمجرد أن يموت هؤلاء ، لا يزال التخثث يحدث. ولكن على عكس البحيرة ، فإن الماء في المجرى يتحرك. يختلط مع الهواء ، مما يسمح بدخول المزيد من الأكسجين إلى الماء. في التدفقات ، يؤدي هذا إلى نمط مختلف من التغييرات.
ليندا ديجان عالمة بيئة في مركز وودز هول للأبحاث في فالماوث ، ماساتشوستس ، وهي تضيف الفوسفور إلى التيارات الباردة المتجمدة في القطب الشمالي منذ 30 عامًا. الجريان السطحي للنيتروجين من التربة المحيطة يحافظ على مستويات النيتروجين في التيار عالية بما يكفي لتزدهر النباتات الموجودة فيه. لكن الفوسفور؟ "لا يوجد فوسفور في تلك المياه." نظرًا لأن هذه المغذيات محدودة للغاية ، كما يقول ديجان ، فإن "الطحالب والنباتات تتغذى عليه بأسرع ما يمكن".
أرادت Deegan وزملاؤها معرفة ما يمكن أن يحدث في التدفقات إذا ارتفعت مستويات الفوسفور. لذلك قاموا بتقطير ما يكفي من الفوسفور لزيادة المستوى خمسة أضعاف. تشرح قائلة:"أردنا إضافة ما يكفي بحيث يتفاعل التدفق ، ولكن ليس كثيرًا لدرجة أننا كنا ننفخ الجوارب عنه".
على مدى ثلاثة عقود ، وجد Deegan أن الفوسفور قد غير حياة التيار على مراحل. مراحل طويلة جدا.
خلال السنوات القليلة الأولى ، دياتومات تكاثر. هذه مخلوقات صغيرة ، مثل النباتات ، تصنع الطعام من ضوء الشمس. وهم بحاجة إلى الفوسفور للقيام بذلك. في البداية ، قدمت أكوام الدياتومات الجديدة وجبة خفيفة لذيذة للحشرات. يلاحظ ديجان:"في السنوات القليلة الأولى ، كان لدى الحشرات طعام أكثر". وهذه الحشرات بدورها "كانت طعام أسماك رائع".
فقط أنواع قليلة من الأسماك تتحدى تيارات التندرا الصغيرة المتجمدة في ألاسكا. الأنواع الأكثر شيوعًا هي القطب الشمالي الرمادي. تتكاثر في الجداول ، تاركة نسلها لتسمين الحشرات المحلية. مع وجود المزيد من الحشرات حولها ، سُمَّن شيب الصغير بسرعة.
لكن التغييرات لم تدم.
بعد أربع سنوات من إضافة الفوسفور ، بدأت الدياتومات في التراجع أمام الأنواع الأخرى ، مثل الخيوط الطويلة من الطحالب الخضراء التي تتشبث بالقيعان الصخرية للتيارات. وبعد ثماني سنوات ، أفسحت تلك الطحالب الطريق لخصل من الطحالب الخضراء الداكنة. يلاحظ ديجان أن "النظام نفسه تطور بمرور الوقت لاستيعاب الفوسفور".
هذه التغييرات تسربت إلى شبكة الغذاء. يقول ديجان:"بمجرد أن تحولنا إلى طحلب ، حصلنا على حشرات مختلفة في المجتمع". الآن ، لاحظت ، "كان من الصعب على الأسماك إطعامها." حظيت الأسماك الصغيرة التي تولد كل عام في الجداول ببداية جيدة في الحياة مع بوفيه الحشرات. الأسماك القديمة لم تكن أجرة كذلك.
من خلال تسميد الجداول ، يحصل Deegan على صورة لما يمكن أن يبدو عليه القطب الشمالي مع أقل التربة الصقيعية.
في كل ربيع ، تذوب الطبقة العليا من تربة القطب الشمالي المجمدة. هذه الطبقة - تسمى الطبقة النشطة - تؤدي إلى ظهور كل أشكال الحياة في التندرا. على مدى سنوات من الاحترار ، ستصبح تلك الطبقة النشطة أعمق وأعمق. يقول ديجان إن ما ينتج على الأرجح هو "التحلل المتزايد". وهذا بدوره سيؤدي على الأرجح إلى إطلاق كل من النيتروجين والفوسفور. لكن العلماء لا يعرفون كم من الوقت سيستغرق ذلك. يقول ديجان:"لن تمر سنوات". "ربما كانت عقود".
لم يعد العلماء يضيفون الأسمدة. لا يزال ، ديجان يراقب. إنها تريد أن ترى كيف تتعافى التدفقات. وتقول:"من المهم أن نفهم ليس فقط كيفية استجابة النظم البيئية عندما ندفعها ، ولكن كيف تستجيب عندما نتوقف عن دفعها". "لدينا ما يدور في أذهاننا أن النظام سيعود إلى حيث كان عندما بدأ. ولكن كلما نظرنا أكثر كلما فهمنا أكثر ... لا تعود هذه الأنظمة دائمًا إلى حيث بدأت. "
تحريك الشبكة الغذائية
يعد غوف وديجان الأحدث في سلسلة من العلماء الذين يراقبون التندرا المخصبة والجداول والبحيرات. بدأ غوف بمشاهدة الأعشاب ، وأشجار البتولا الصغيرة والنباتات الأخرى. وهي الآن تريد معرفة ما يحدث بشكل أكبر في شبكة الغذاء.
بعض طلابها ، على سبيل المثال ، يدرسون العناكب المحلية. غوف لها معالمها الخاصة المحددة على بعض سكان التندرا الأكثر فراءً - الفئران والليمون. وتقول:"نحن مهتمون حقًا بكيفية تفاعل هذه الثدييات مع النباتات والتربة للتأثير على الكربون والنيتروجين". على عكس الثدييات الكبيرة ، مثل الدببة والسناجب الأرضية ، لا تدخل فئران القطب الشمالي والليمون في سبات طوال فصل الشتاء. تقول:"إنهم يقيمون على مدار العام". "يذهبون تحت الجليد ، [و] نعلم أن لديهم تأثيرًا كبيرًا على النباتات والتربة بطريقة محلية."
لذا بالنسبة لتجاربها التالية ، تضيف غوف الأسوار إلى التندرا. إنها تأمل أن تبقي هذه الفئران والقوارض داخل أو خارج أقسام معينة. تشرح قائلة:"نحاول التحكم في أعدادهم ونرى ما سيحدث".
مثل دراسات النبات ، ستستغرق هذه التجارب سنوات عديدة. يوضح غوف:"نظرًا لأن كل عام متغير للغاية ، فقد لا تمثل البيانات في عام واحد اتجاهات طويلة الأجل". لذلك ، يحتاج العلماء إلى إلقاء نظرة على بيانات التندرا من سنوات عديدة للحصول على صورة جيدة وطويلة المدى لما يحدث.
يمكن للعلماء بسهولة قضاء حياتهم بأكملها في دراسة القطب الشمالي. يقول ديجان:"سأستمر في العودة لبقية حياتي المهنية". "القطب الشمالي يحتوي على الكثير من الأشياء. إنه مكان جامح وغامض لا نفهمه. وأعتقد أنها منطقة إنذار مبكر لنوع التغييرات التي يمكن أن تحدث في جميع أنحاء العالم. "
وهذا يعني تكرار الزيارات خلال فصول الصيف القصيرة في القطب الشمالي ، حيث يخرج الممر الهش في الجزء العلوي من العالم من الثلج وتتدفق الجداول مؤقتًا مرة أخرى. عامًا بعد عام ، سيعود كل من Gough و Deegan و Shaver والعديد غيرهم للمشي على الممرات ، وعد الأسماك والحشرات والنباتات وإصلاح الدفيئات الزراعية والرجفة في الجداول الجليدية.
يمكن أن تساعدهم حديقة القطب الشمالي التي يعتنون بها - ونحن - في رؤية التندرا في المستقبل.
أصبح الإبلاغ الميداني عن هذه القصة ممكنًا من خلال برنامج لوغان للعلوم للصحافة في مختبر الأحياء البحرية.
