Изучение изменений морских биогеографических моделей и факторов, влияющих на эти модели в течение геологического времени, может помочь ученым понять текущую реакцию организмов на изменение климата под воздействием человека. Например, исследователи знают, что морские организмы географически смещаются к полюсам Земли в ответ на изменение климата под влиянием человека. Однако предсказать, в какой степени будут смещаться виды и как такие смещения связаны с вымиранием, было нелегко.

Однако одна группа организмов - планктонные фораминиферы - недавно помогла исследователям ответить на вопрос, как климатические события позднего кайнозоя изменили структуру глобальных морских планктонных сообществ, что может помочь в прогнозировании воздействия современных изменений климата Земли на все океанические организмы.

Планктонные фораминиферы - это одноклеточные морские эукариотические организмы, имеющие известковые (карбонатные) раковины. Их кальцитовые раковины помогают сохранить эти крошечные организмы, которые оказываются погребенными на морском дне в виде микроокаменелостей. Их физиология, включая раковины, чувствительна к изменениям в окружающей среде, что делает их кальциевые останки полезными в качестве климатических трассеров как прошлых, так и нынешних экологических условий в толще воды океана.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые изучили окаменелости планктонных фораминифер (форамов) и обнаружили глобальный сдвиг широтных зон моря в сторону экватора, вероятно, вызванный развитием биполярных ледниковых щитов. Исследование также показало, что сдвиг был связан не с соединением функциональных признаков и видового разнообразия, а скорее с сочетанием экологических и морфологических признаков организмов.

"В современной экологии мы считаем видовое разнообразие и функциональные признаки синонимами", - сказал соавтор исследования Аншуман Свейн, постдокторант кафедры органической и эволюционной биологии и младший член Общества стипендиатов Гарвардского университета. "Но, оглядываясь назад во времени, мы обнаружили, что эта корреляция разрушается через два миллиона лет, поэтому наше предположение о том, что мы можем использовать это для прогнозирования будущих изменений климата, может быть ошибочным".

Суэйн и соавтор работы Адам Вудхаус, докторант Института геофизики Техасского университета в Остине, изучили данные об ископаемых планктонных форамах позднего кайнозоя, в частности, за последние восемь миллионов лет, чтобы увидеть, как менялось их относительное распределение в ответ на климатические события. Однако вместо того, чтобы сосредоточиться на видовом разнообразии, Суэйн и Вудхаус классифицировали данные по экологическим характеристикам экогрупп (где они обитают в толще воды) и морфогрупп (морфологические категории их раковин).

Существуют бентические и планктонные типы форамов. Планктонные форамы встречаются плавающими в верхних слоях океана. Это размещение важно, поскольку глобальное распределение многих других организмов коррелирует с форами из-за их низкого положения в пищевой цепи. Многие морские организмы (такие как хищные рыбы, кальмары, криль, акулы и китообразные) зависят от стабильности пищевых цепей, поэтому реакция форамов на изменение климата может стать прогнозом для этих и других организмов.

Еще один плюс изучения этих организмов - несравненное качество имеющихся ископаемых данных. Исследователи применили методы сетевой науки к Triton - глобальному набору данных о планктонных фораминифералах, содержащему более 500 000 отдельных видов. Эти образцы были собраны в рамках Международной программы океанического бурения в разных частях океана Земли в течение более чем 50 лет научного океанического бурения.

"Ископаемая летопись планктонных фораминифер представляет собой невероятный биологический архив и демонстрирует лучшую кайнозойскую летопись на уровне видов, чем даже лучшая летопись на уровне родов любой группы макробеспозвоночных, что делает их идеальным решением для нашего исследования", - сказал Вудхаус.

Исследователи изучили семнадцать морфогрупп и шесть экогрупп форамов. В большинстве исследований изучается, как появляются и изменяются виды. В данном исследовании ученые задались вопросом, как организмы реагируют на изменение климата и факторы окружающей среды с экологической точки зрения.

"Экогруппы и морфогруппы - это более последовательные группы на протяжении кайнозойской эры, - говорит Суэйн, - поэтому они имеют преимущества перед исследованиями видов, которые являются непоследовательными группами. Поэтому легче делать прогнозы на основе признаков, а не видов".

Они собрали большой набор данных по признакам и построили схемы биогеографического распределения по экогруппам и морфогруппам в течение позднего кайнозоя (0-15 миллионов лет). Результаты исследования показали глобальное широтное смещение в сторону экватора в рамках сообществ по всему кладу как в экологических, так и в морфологических группах, особенно в течение последних восьми миллионов лет.

"Как только мы увидели результаты, мы сказали, что это дико", - говорит Суэйн. "До этого сдвига все было как бы случайно, не было никакой заметной сильной закономерности. Но затем произошел сильный сдвиг, который совпал с образованием ледниковых щитов".

Исследование показало динамическую биогеографию среди планктонных фораминифер за последние восемь миллионов лет, включая крупномасштабные пространственные перестройки моделей биоразнообразия, которые, по-видимому, связаны с появлением биполярных ледниковых покровов. Расширение полярных ледяных шапок повлияло на широты, где экологические группы были наиболее счастливы, вызвав их смещение из-за ряда факторов, в том числе из-за того, где кислород был наиболее доступен. Удивительно, но эта тенденция не была заметна при рассмотрении только видовых данных.

"Мы не знаем точной причины этого, - сказал Суэйн, - но можно иметь равное изобилие видов, не имея представления о различных экосистемах". Что мы действительно увидели, так это то, что экогруппы показали эту тенденцию. Это означает, что данное климатическое событие повлияло на распределение фораминифер и, в свою очередь, на распределение других организмов. Корреляция фораминифер с антропогенно важными группами морских животных может заставить нас предсказать дальнейшие изменения в их ареалах и структуре сообществ, вызванные продолжающимся изменением климата".

"Современная биосфера Земли медленно эволюционировала в течение миллионов лет, чтобы быть приспособленной к миру ледниковых периодов", - сказал Вудхаус. "Поэтому тенденции, которые мы фиксируем, потенциально тревожны, так как если изменение климата под влиянием человека вдруг переключит нас на Землю восьмимиллионной давности [до оледенения], мы можем пагубно изменить морские сообщества всего океана".