Кіріспе

Ежелгі көлдер мен өзендерді ғылыми зерттеу

Палеолимонология (грекше: παλαιός, palaios, "ежелгі", λίμνη, limne, "көл", және λόγος, logos, "зерттеу") – лимонология және палеоэкологиямен тығыз байланысты ғылыми сала. Палеолимонологиялық зерттеулер геологиялық жазбаларды пайдалана отырып, ішкі сулардың (мысалы, көлдер мен өзендердің) өткен ортасын қалпына келтіруге бағытталған, әсіресе климаттың өзгеруі, эвтрофикация, қышқылдану және ішкі онтогендік процестер сияқты құбылыстарға назар аударады. Палеолимонологиялық зерттеулер көбінесе шөгінділердің физикалық, химиялық және минералогиялық қасиеттерін, сондай-ақ қазба тозаң, диатомиялар немесе хирономидтер сияқты биологиялық қалдықтарды талдау арқылы жүргізіледі.

Көлдің онтогені

Алғашқы палеолимонологиялық зерттеулер көлдердің биологиялық өнімділігіне және көл дамуындағы ішкі көл процестерінің рөліне бағытталған болатын. Эйнар Науманн көлдердің өнімділігі су жиналатын алаптың топырағының шаюына байланысты біртіндеп төмендеуі мүмкін деп болжағанмен, Аугуст Тьенманн кері процестің болуы ықтимал деп ұсынды. Алғашқы шабақтардың жазбалары Тьенманнның пікірін қолдады. Хатчинсон мен Уоллак көлдердің бастапқы олиготрофтық сатысынан кейін трофтық тепе-теңдікке жетіп, оны сақтай алатынын болжады. Олар сондай-ақ көл қауымдастықтарының ерте дамуы мен жануарлар қауымдастықтарының сигмоидтық өсу фазасы арасындағы параллельдіктерді атап өтті – бұл көлдердегі ерте даму процестерінің отарлау әсерлерімен және отарлаушы организмдердің шектеулі көбейткіштік потенциалынан туындаған кешігулермен доминирленгенін білдіреді. Олар көлдердің олиготрофтық, мезотрофтық және эвтрофтық сатылары арқылы прогрессивті дамуымен, содан кейін дистрофтық сатысқа қарттауымен және тұнбамен толығымен толуымен гипотетикалық даму тізбегін сипаттады. Бұрынғы көл алабының шымтезек топырағында соңында климакс орман қауымдастығы қалыптасатын еді. Эд Диви бұл идеяларды одан әрі дамытты, ол көл дамуы морфометриялық эвтрофикация процесімен доминирленетінін ұсынды. Көлдердің гиполимнионы біртіндеп шөгінділермен толтыру кезінде оттегінің азаюы темірге байланысқан фосфордың үстіңгі суға шығарылуына ықпал ететін еді. Бұл ішкі тыңайту процесі биологиялық өнімділікті ынталандырады, бұл толтыру процесін одан әрі үдетіп жібереді. Диви мен Линдеманның идеялары кеңінен қабылданды. Бұл идеялар әлі де кейбір лимнологтар тарапынан кеңінен қолданылса да, 1957 жылы Дивидің шәкірті Дэниел А. Ливингстон оларды жоққа шығарды. Мел Уайтсайд Диви мен Линдеманның гипотезасын да сынға алды; және қазіргі палеолимологтар көптеген сыртқы факторлар көл дамуы мен өнімділігін реттеушілер ретінде бірдей немесе одан да маңызды деп санайды. Шындығында, соңғы мұздық климаттық тербелістер (мысалы, Жастар Дриасы) өнімділіктің параллель өзгерістерімен бірге жүрген сияқты көрінеді, бұл көл дамуы бір бағытты процесс емес екенін және климаттың өзгеруі көл қауымдастықтарына терең әсер ете алатынын көрсетеді.

Адамның әсерінен пайда болған эвтрофикация, қышқылдану және климаттың өзгеруі

Палеолимологияға деген қызығушылық көлдердің онтогенезіне қатысты эзотерикалық сұрақтардан адамның әсерін зерттеуге ауысты. Мысалы, Торгни Видерхольм мен Билл Уорвик хирономидтердің қазбаларын қолданып, адамның қызметінен туындаған (антропогендік эвтрофикация) қоректік заттардың артуының көл қауымдастықтарына тигізетін әсерін бағалады. Олардың зерттеулері Солтүстік Америка мен Еуропа көлдерінің түбіндегі фаунаның айқын өзгерістерін көрсетті, бұл сутегінің жетіспеуінен болды. 1980 жылдан 1990 жылға дейін палеолимологтардың басты назары адам қызметінің (мысалы, қышқыл жаңбыр) және табиғи процестердің (мысалы, топырақтан минералдардың жуылуы) солтүстік көлдердегі pH деңгейінің өзгеруіне қатысты рөлін түсінуге ауысты. Диатом қауымдастықтарының pH сезімталдығы 1930 жылдары Фридрих Хустедт диатомдарды олардың көзге көрінетін pH қалауларына сүйене отырып жіктеген кезде анықталды. Гуннар Нигаард кейіннен диатомдардың pH индекстерін жасады. Осы индекстерді pH деңгейіне калибрлеу арқылы Джоуко Мерилэйнен алғашқы диатом pH трансфер функциясын енгізді. Диатомдар мен хризофиттердің қазбаларын пайдалана отырып, зерттеу топтары индустриализацияның өсуі салдарынан көптеген солтүстік көлдердің тез қышқылдануын анықтады. Көлдердің ерте (соңғы мұз дәуірінде) тарихында қышқылдануға бейімділігі болғанымен, көптеген көлдердің pH деңгейі адамның әсерінен болған қышқылдануға дейін мыңдаған жылдар бойы тұрақты болды. Соңғы жылдары палеолимологтар климаттың су экожүйелеріндегі процестерге үлкен әсер ететінін мойындады және палеоклиматты қалпына келтіру үшін көлдердің жазбаларын пайдалана бастады. Хирономидтердің қазбаларынан алынған палеотемператураны қалпына келтіру және диатомдардан алынған палеосоленость жазбалары сияқты әртүрлі көрсеткіштерден тарихи климаттың өзгеруі туралы егжей-тегжейлі жазбалар жасалды. Арктикадағы соңғы зерттеулер көрсеткендей, биологиялық әртүрліліктің өзгеруіне көбінесе жылыну себеп, ал адамның әсерінен туындаған өзгерістер мен қышқылдану сияқты басқа факторлардың рөлі аз. Гималайдағы су объектілеріне антропогендік бұзылыстар ғана емес, сонымен қатар алыстан келген ластаушы заттардың әртүрлі түрлері де әсер етеді. Сондықтан, климаттың өзгеруінің әсерін талдау үшін көл шөгінділерін пайдалана отырып, судағы биологиялық әртүрлілікке әсер ететін барлық факторларды түсіну маңызды. Палеолимологиялық тұрғысынан климаттың өзгеруін бағалау кезінде, климаттың өзгеруінің әсері экожүйенің өзгеріске сезімталдығына байланысты әр түрлі болатынын ескеру қажет.

Палеоклимат проксилері

Палеоклиматология (өткен климатты зерттеу) өткендегі климат жағдайларын анықтау үшін қазіргі заманғы үлгілерден алынған деректерді прокси деректер арқылы байланыстырады. Палеолимонологияда прокси деректер – тікелей метеорологиялық өлшемдердің орнына қолданылатын сақталған немесе қазбаға айналған физикалық белгілерді білдіреді.

Седименттер өзектері

Седимент өзектері – көл және өзен шөгінділері биологиялық ақпаратты сақтаудағы маңызды рөліне байланысты палеолимологияны зерттеудің басты құралдарының бірі болып табылады. Палеолимологтар шөгінді өзектерін жинап, белгілі бір аймақтың бұрынғы лимонологиясын анықтау үшін түрлі прокси-көрсеткіштерді зерттейді.

Ағзаның тозаңы туралы мәліметтер

Көлдің айналасындағы құрлық өсімдіктерінің тозаңы мен споралары көбінесе шөгінділердің түйіндік үлгілерінде кездеседі және тозаң дәндерінің таксономиясын анықтау үшін зертхана жағдайында талдауға болады. Осы тозаң дәндерінің таралуы көл төңірегіндегі өсімдіктердің тарихи таралуын түсінуге мүмкіндік береді. Бірнеше зерттеулер жер жамылғысының әртүрлі түрлері арасындағы байланысты қарастыра отырып, өсімдіктер профиліндегі өзгерістерді бағалай алды. Мысалы, папоротник тозаңының және шөптесін өсімдіктердің тозаңының көбеюі, шөптесін өсімдіктер тозаңының азаюымен бірге, көбінесе ауқымды бұзылуларға немесе маңызды жерлердің тазалануына нұсқайды. Тарихи өсімдік профильдерін салыстыру зерттеушілерге екі нақты аймақ арасындағы өсімдіктердегі кезекті өзгерістерді салыстыруға және осы айырмашылықтарды әр аймақтың тиісті климатымен байланыстыруға мүмкіндік береді. Қытайдың оңтүстік-батысындағы Юньнань провинциясының Хенгдуань тауларындағы Шуду көлінде жүргізілген жаңа зерттеу температура мен ылғалдылықтың өзгеруін ине жапырақты ормандардың дамуымен байланыстырды, сондай-ақ аймақтағы өсімдіктер таралуына адамның тигізген әсерін модельдеді. Диатомалар да ертедегі қоңыржай көлдердің қоректік жағдайларын бағалау үшін хризофицея статоспораларымен бірге зерттелді. Бұл диатома үлгілерін қышқыл жаңбырдың белгілі бір су қоймасына тигізетін әсерін анықтау үшін өте қолайлы етеді, себебі диатомалық интерпретация әдістері қоректік заттар деңгейі мен pH-тың салыстырмалы түрде тар сандық диапазондарын, сондай-ақ белгілі бір палеолимонологиялық кезеңде осы өлшемдердің ауытқуын бағалауға жеткілікті деңгейде дамыған.

Органикалық затты талдау

Көлдердің шөгінділеріндегі органикалық заттардың жиналуы мен құрамын зерттеу палеолимонологиялық бағалауларда жиі пайдаланылады. Шөгінді органикалық заттарды зерттеу кезінде мөлшері, тегі және изотоптар мен биомаркерлердің түрлері сияқты әр түрлі факторлар қарастырылады. Бұл, сондай-ақ, көлдің геохимиясы мен органикалық заттардың жинақталуы арасындағы байланысты көрсете отырып, палеолимонология мен геохимия арасындағы байланыс құралы болып табылады. Мысалы, Қытайдың шығысында жүргізілген зерттеулер көрсеткендей, жылы және ылғалды климаттағы үлкен және терең көлдер, салқын және құрғақ климаттағы жазық көлдерге қарағанда, органикалық заттардың жоғары деңгейін көрсетеді. Лигнин, әсіресе, қабықты тұқымды өсімдіктерді (ангиоспермалар) және жалаңаш тұқымды өсімдіктерді (гимноспермалар) айыруға, сондай-ақ ағаш және ағаш емес тіндерді ажыратуға көмектеседі, бұл зерттеушілерге айналасындағы өсімдіктер туралы білімдерін кеңейтуге мүмкіндік береді.

Азот изотоптарын талдау

Азот, көміртек сияқты, палеолимонологиялық белгілі бір көрсеткіштерді бағалауға қолданылатын, бекіту жолына байланысты ерекше изотоптық өзгерістерді көрсетеді. Дегенмен, көміртек сияқты, көл шөгінділерінің азот изотоптық құрамына түрлі факторлар әсер етеді, бұл осы әдіс арқылы алынған бағалауларды шамалы болжамды етеді. Атап айтқанда, δ15N мәндері су экожүйелеріндегі өнімділік деңгейіне қарай өзгеріп отыруы мүмкін. Боливияның Кордильера Реал аймағындағы Лаго Тайпи көлінің жағдайын зерттеу мақсатында жүргізілген зерттеуде, азот шектеуші қоректік зат ретінде болған кезде, азотты бекітетін балдырлардың деңгейі айтарлықтай өскені анықталды. Адам және жануарлар қалдықтары, сондай-ақ синтетикалық тыңайтқыштардағы диагностикалық изотоптық өзгерістер зерттеушілерге нақты азот түсуін сипаттауға және δ15N өлшемдерін пайдаланып, қоректік заттар ағынындағы адамның ықпалымен туындаған өзгерістерді қадағалауға мүмкіндік береді. Экологиялық тұрғыдан алғанда, олар су түбінде тіршілік етеді және қоршаған ортаның кез келген өзгеруіне жоғары сезімтал. Олардың бас сүйек қапшығы мен тамақтану құрылымдары көл шөгінділерінде жиі кездеседі, бұл оларды құнды палеоклимат проксисі ретінде пайдалануға мүмкіндік береді.

Хирономидтердің таралуы мен көптігіне әсер ететін факторлар

Хирономидтердің таралуына әсер ететін маңызды факторлардың бірі – жергілікті, аймақтық және жаһандық деңгейдегі климат жағдайлары. Осы жағдайлардың өзгеруі ұзақ мерзімге қазба қалдықтарында сақталады. Палеолимнологиялық әдістер, соның ішінде хирономидтерді зерттеу арқылы, осы өзгерістерді пайдаланып болашақ климат өзгеруін болжауға болады. Хирономидтер қоршаған ортаның кез келген өзгерісіне жоғары сезімталдық танытады, сондықтан олар тұздылық, су тереңдігі, ағыс жылдамдығы, судың өнімділігі, оттегі деңгейі, көлдің қышқылдануы, ластану, температура және жалпы экожүйенің денсаулығы сияқты әртүрлі факторлардың сенімді көрсеткіштері болып табылады. Хирономидтердің таралуын осы факторлармен байланыстыру үшін, белгілі бір организмдер тобын нақты экологиялық айнымалымен байланыстыратын трансферт функциясын қолдануға болады. Соңғы кезде хирономидтердің таралуы мен санына әсер ететін түрлі факторлар анықталды. Сондықтан олардың қазба қалдықтарын интерпретациялау кезінде сақтық таныту қажет. Температураның хирономидтердің саны мен түрлер әртүрлілігіне тигізетін әсері және басқа да байланысты факторлар жақында талқыланды. Хирономидтердің қазба қалдықтарын дұрыс түсіндіру үшін экожүйедегі көптеген факторларды ескеру қажет. Көлдің қазба деректеріне әсер ететін күштерді түсіну үшін, көл қауымдастықтарын қалыптастыратын физикалық, химиялық және қоректік заттарды қайта құру маңызды. Олардың таралуы мен саны адамның әсері мен климаттың өзгеруіне байланысты, бұл екеуі де су жиналатын аймаққа әсер етеді, нәтижесінде өсімдіктер, гидрология және қоректік циклдер өзгереді. Аймақтық деңгейдегі кез келген өзгеріс, әсіресе температура, жергілікті су сапасына әсер етеді, содан кейін ол түрге тән түрде тіршілік ортасына әсер етеді. Хирономидтердің құрамындағы кез келген өзгеріс климаттың өзгеруіне байланысты судың мұзбен жабылған мерзімі мен температурасының өзгеруін көрсетеді. Зерттеулерге сәйкес, хирономидтер көбінесе жазғы температураның өзгеруіне жауап береді, сондықтан температураның маусымдық өзгеруін шөгінділерден болжауға болады. Макроортасыздар, әсіресе хирономидтер, бұрынғы климат өзгерулерінің маңызды көрсеткіштері болып саналады, әсіресе температураға қатысты. Хирономидтердің құрамы мен су температурасы, көл тереңдігі, тұздылығы және қоректік заттардың концентрациясы арасында тығыз байланыс бар. Сондықтан климаттың өзгеруінің көл су деңгейіне тигізетін әсерін хирономидтердің таралуы мен санының өзгеруімен байланыстыруға болады. Бұл берік байланыс көлдің бұрынғы булану және жауын-шашын деңгейін көрсетеді. Өткен климат жағдайлары палеолимнология негізінде әртүрлі қазба қалдықтарының көмегімен қайта құрылады, әсіресе көл шөгінділері аймақтық және жергілікті климаттың өзгеруін ажыратуға көмектеседі.