Ученые нашли способ восстановить исторические данные о температуре океана 

Фото из открытых источников

Один-единственный узелок красных водорослей зафиксировал температуру Красного моря за 133 дня, с погрешностью всего в 0,63°C по сравнению с данными регистраторов. Метод основан на алгоритме распознавания речи 1978 года. Результаты исследования были опубликованы в журнале Communications Earth & Environment.

Исследования палеоклимата испытывают нехватку ресурсов. Организмы, которые лучше всего хранят записи о прошлых температурах морской воды, — это кораллы, моллюски и планктон с раковинами. Их ареалы обитания сокращаются внутри того самого океана, который они должны документировать.

Международная группа исследователей протестировала заменитель, который произрастает практически повсеместно. Родолиты — это рыхлые, бугристые узелки, образованные красными кораллиновыми водорослями, и они перемещаются по рифовым отмелям и морскому дну по всему миру.

На основе данных, полученных из одного образца конкреции, собранного на рифовой отмели в центральной части Красного моря, исследователи реконструировали суточную температуру морской воды за 133 дня. Их реконструкция отличалась от фактически зафиксированных на этом участке температурных регистраторов всего на 0,63°C.

История изменения температуры рифов обычно определяется по скелетам кораллов, раковинам моллюсков или раковинам одноклеточных фораминифер. Каждый из этих архивов формируется слоями, и каждый слой сохраняет химический состав окружающей воды.

Главным ограничением является ограниченный охват. Виды, используемые в качестве архивных данных, обитают в узких ареалах, и эти ареалы сужаются по мере изменения химического состава океана и температуры.

Коралловые водоросли сталкиваются с меньшим количеством подобных ограничений. Они растут от мелководья до глубины примерно 200 метров (660 футов), в широком диапазоне температур и солености. Химический состав их скелета также мало меняется с возрастом.

Родолиты — это свободноживущий вид. Волны и течения переносят их по дну, поэтому новые побеги растут наружу в том направлении, которое в данный день попадает под лучи света.

Именно эта ниспадающая форма родолитов делает их такими сложными для чтения. Узелок представляет собой переплетение ветвей, и каждая ветвь ведет свой собственный частичный календарь.

Команда начала с окрашивания живых конкреций ализариновым красным. Краситель связывается с новым карбонатом кальция и оставляет четкий временной след на скелете. Окрашенные образцы были возвращены на риф Аль-Фахал, мелководье глубиной около 1 метра. Сетчатые клетки удерживали их там, позволяя им при этом перекатываться.

Четыре месяца спустя исследователи извлекли их и измерили рост выше линии окрашивания на 21 ветви одного узелка. Разброс был огромным. Длина варьировалась от от 0,2 до 2,7 миллиметра, что более чем в десять раз превышало разницу в пределах одного экземпляра.

Семь ветвей с наиболее чистыми полосами были отправлены на химический анализ. Затем микрокомпьютерный томограф отобразил внутренние полосы плотности в трех измерениях. Это та же рентгеновская методика, которая используется в больничных сканерах. Предварительное обнаружение полос позволило определить истинную ось роста, а не полагаться на догадки.

Затем последовал шаг, который позволил всему остальному заработать. Команда выровняла семь записей ветвей, используя динамическое искажение времени — алгоритм, опубликованный в 1978 году для сопоставления произнесенных слов, поступающих с разной скоростью.

Программное обеспечение для распознавания речи использует этот метод, потому что два человека произносят одно и то же слово с разной длительностью. Ветви родолита представляют собой ту же проблему. Они растут с разной скоростью, делают паузы в разные моменты и начинают запись с немного разных точек.

«Каждая ветвь фиксирует лишь часть записи», — сказала ведущий автор исследования Лена Ли из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга и Института химии имени Макса Планка. По ее словам, математическое выравнивание этих неполных записей позволяет получить непрерывную ежедневную временную шкалу из одного узла.

Алгоритм был под контролем. Существовало ограничение, ограничивающее степень искажения или искажения любой записи. Максимальный срок составлял 30 дней, что не позволяло программному обеспечению выдавать весенние измерения за летние.

Химический анализ обеспечил температурный сигнал. Лазер испарял крошечные пятна вдоль каждой ветви, всего 320, а масс-спектрометр измерял элементы в паре.

Магний является классическим термометром в кальците, поскольку более теплая вода выталкивает его больше в кристалл. Сам по себе он показал здесь плохие результаты, а корреляция с измеренной температурой не была статистически значимой.

Стронций вел себя иначе. Его поглощение зависело от скорости роста ветви, а не от температуры воды.

Деление одного на другой решило обе проблемы одновременно. Соотношение магния и стронция передавало тепловой сигнал, одновременно подавляя большую часть шума, связанного со скоростью роста. Оно объясняло гораздо больше колебаний температуры, чем любой из элементов по отдельности.

Сводная запись со всех семи ветвей совпала с данными регистраторов, показав коэффициент детерминации R² равный 0,91. Лучший результат для отдельной ветви составил всего 0,61, что показывает, что выигрыш был достигнут за счет объединения ветвей, а не за счет выбора одной-единственной.

Исследователи также попытались опровергнуть собственный результат. Перемешивание данных еженедельными блоками привело к корреляциям не выше 0,18. Выравнивание ветвей по фиктивной временной шкале постоянного роста снизило соответствие до 0,31.

Итоговая погрешность, 0,63°C, близка к заявленной точности самих регистраторов, составляющей 0,54°C. В этом случае точность архива примерно соответствует точности используемого для его проверки прибора.

Место для испытаний было выбрано из-за экстремальных условий. Температура мелководных рифовых отмелей Красного моря колеблется от от 18 до 38°C в течение года. Редкие события приводили к изменению температуры воды более чем на 10°C за один день.

Эти летние максимумы уже соответствуют условиям, прогнозируемым для многих тропических рифов в конце этого столетия. В этом регионе по-прежнему находится вторая по протяженности в мире рифовая система, длина которой превышает 2000 километров.

Спутники, конечно, предоставляют ежедневные данные о температуре поверхности моря, но они не учитывают мелкие колебания, которые действительно испытывают организмы на рифовой отмели. Кратковременные всплески колебаний температуры влияют на риск обесцвечивания кораллов, поэтому ежедневная точность оправдывает затраченные усилия.

Это был один узелок одного вида, Lithophyllum sp., и авторы прямо указывают на это ограничение. Для более широкого применения потребуется идентификация на уровне видов в разных популяциях, поскольку коралловые водоросли, как известно, очень трудно различить невооруженным глазом.

Однако этот метод выравнивания не является специфическим для водорослей. Ли отмечает, что он может объединить несколько образцов кораллов с одного рифа или перекрывающиеся данные от разных организмов в более длинную хронологию.

Результаты сканирования указывают на то, что для получения более точных данных еще предстоит многое выяснить. При самом высоком разрешении, 4,5 микрометра, рентгеновские снимки показали ультратонкие полосы, которые могут свидетельствовать о росте темпов роста менее чем за сутки, хотя команда пока не смогла их интерпретировать.