Wieczna zmarzlina uwalnia duchy przeszłości

Czy pamiętacie francuski film z 1969 r. zatytułowany Hibernatus? Tytułowy bohater Paul Fournier (grany przez Bernarda Alane) – zostaje wybudzony po ponad 50 latach zamrożenia w lodach Grenlandii, a jego pojawienie się wywołuje wiele zabawnych perypetii, ale też i niespodziewanych problemów. Wystarczyło zaledwie pół wieku hibernacji, a już przybysz z przeszłości wywołał niezłe zamieszanie. Nie inaczej jest z innymi mrożonkami uwięzionymi w lodach Alaski czy Syberii. Wieczna zmarzlina przechowuje nie tylko mamuty, ale też wiele tajemnic, które uwolnione po dziesiątkach, setkach, a czasem nawet milionach lat, mogą namieszać równie mocno, jak tytułowy Hibernatus.

Permafrost, czyli wieczna zmarzlina

Wieczną zmarzliną (zwaną czasem z angielskiego permafrostem) określa się grunt lub osad denny, który pozostaje zamarznięty przez okres nie krótszy niż 2 lata. Jest to pozostałość (relikt) po zlodowaceniu, które w plejstocenie obejmowało znaczną część obszarów lądowych półkuli północnej. Obecnie pokrywa koło 11 proc. powierzchni Ziemi i 15 proc. półkuli północnej, zajmując powierzchnię, według różnych źródeł, od 18 do 23 mln km² [1-2, NSIDC, ang. National Snow and Ice Data Center]. Z tego około 80 proc. przypada na Alaskę, przeważający obszar północnej Kanady i ponad połowę powierzchni Syberii. Punktowo występuje też w Górach Skandynawskich i na Grenlandii. Nieciągłe zmarzliny spotykane są również w regionach wysokogórskich, głównie w Tybecie oraz w Alpach.

Nie każdy wie, że wieczną zmarzlinę odkryto również w północno-wschodniej Polsce, w okolicy Suwałk (w końcu biegun zimna!). W 2010 r. geolodzy z Państwowego Instytutu Geologicznego na głębokości ponad 350 m natknęli się na strop wiecznej zmarzliny sprzed 13 tys. lat [3]. To pozostałość po zmarzlinie z okresu ostatniego zlodowacenia, która przetrwała do naszych czasów dzięki specyficznym warunkom geologicznym, tak zwanej suwalskiej anomalii geotermiczno-hydrogeochemicznej.

Zgodnie z danymi amerykańskiego Narodowego Centrum Danych Lodu i Śniegu (NSIDC) grubość wiecznej zmarzliny waha się od mniej niż 1 m do ponad 1 km. Większość tej pokrywy przetrwała w Arktyce od 800 tys. do 1 mln lat, ale zmiany klimatyczne mogą znacząco zmienić ten obraz.

Wieczna zmarzlina nie taka wieczna

Liczne dane dowodzą, że w miarę ocieplania się naszej planety wieczna zmarzlina rozmarza w coraz szybszym tempie; szczególnie, że w regionach arktycznych wzrost temperatury następuje około 2-3 razy szybciej niż wynosi średnia globalna. W okresie dekady, między 2007 a 2016 r., tempo wzrostu temperatur wiecznej zmarzliny wynosiło od 0,39 ± 0,15°C do 0,20 ± 0,10°C [4], a długoterminowe pomiary wskazują na jej rekordowo wysokie temperatury na głębokości ∼10-20 m.

Nawet jeśli wzrost globalnej temperatury powietrza do 2100 r. nie przekroczy 2°C, to i tak wieczna zmarzlina nadal będzie ulegać degradacji na znacznym obszarze. Niektóre szacunki wskazują, że do tego roku nawet dwie trzecie przypowierzchniowej wiecznej zmarzliny może ulec roztopieniu. Nietrudno się domyślić, że proces ten nie pozostanie bez wpływu na ziemski ekosystem.

Uwięzione w lodzie, czyli cuda-wianki

Przez tysiąclecia w wyniku naturalnych procesów, różnego rodzaju incydentów czy też celowego składowania wieczna zmarzlina gromadziła różnorodną materię. Uwięzione są w niej ogromne ilości gazów cieplarnianych, antropogenicznych zanieczyszczeń, w tym odpadów nuklearnych, metali ciężkich, trwałych zanieczyszczeń organicznych i innych niebezpiecznych substancji, a także mikroorganizmów – bakterii i wirusów. I dopóki pozostają zamarznięte, są nieaktywne i względnie nieszkodliwe, bo nie zachodzą w nich procesy fizyczne i biologiczne. Problem zaczyna się wówczas, gdy rozmarzanie uwolni je do środowiska, a wraz z nimi znane i nieznane zagrożenia.

Głównym problemem, poruszanym w mediach i literaturze naukowej w kontekście topnienia zmarzliny, jest uwalnianie gazów cieplarnianych. Szacuje się, że w lodzie obszarów arktycznych zakumulowanych jest od 1,46 do 1,70 mld t węgla, w tym metan i dwutlenek węgla [6, 7]. Region wiecznej zmarzliny zawiera 33 proc. globalnej puli węgla zmagazynowanej na zaledwie 15 proc. całkowitej powierzchni gleby na świecie.

Rozmarzająca wieczna zmarzlina uwalnia do atmosfery gazy cieplarniane – dwutlenek węgla i metan, chociaż kluczowe elementy tego procesu, takie jak ilość, konkretne źródła i czas uwalniania, pozostają niejasne i nadal są przedmiotem obszernych dyskusji i analiz. Obecnie dostępne modele przewidują różne scenariusze, od takich, które wskazują na stopniowe uwalnianie od 5 do 15 proc. zasobów węgla w ciągu dziesięcio-i i stuleci po takie, które wskazują na gwałtowny skok ilości węgla uwalnianego z wiecznej zmarzliny do atmosfery w ciągu najbliższych 100 lat [7]. Niezależnie od tego, jakie nasilenie będzie miało to zjawisko, wzrost emisji CO₂ i CH₄ z obszarów wiecznej zmarzliny jest faktem.

Uwolnić atom? Metale ciężkie i DDT niestety też

Uwalnianie gazów cieplarnianych to duży, ale nie jedyny problem wynikający z rozmarzania wiecznych lodów. Jak wskazuje przegląd zagadnienia, opublikowany w 2021 r. na łamach Natura Climate Change [8], od początku ery przemysłowej wieczna zmarzlina gromadziła metale ciężkie, sadze i inne produkty uboczne spalania paliw kopalnych transportowane na dalekie odległości drogą powietrzną. W ciągu ostatnich 80 lat wachlarz zanieczyszczeń antropogenicznych poszerzył się o kolejne niebezpieczne związki chemiczne, takie jak insektycyd DDT (dichlorodifenylotrichloroetan), heksachloroheksan (HCH) czy polichlorowane bifenyle (PCB), stosowane powszechnie w płynach chłodzących.

Substancje te zostały zakazane na początku XXI w., ale wieczna zmarzlina Arktyki nadal stanowi ich rezerwuar. Te i inne trwałe zanieczyszczenia organiczne (POP), które przedostały się do Arktyki drogą powietrzną i z czasem skumulowały w wiecznej zmarzlinie w znacznych ilościach, po uwolnieniu do środowiska mogą negatywnie oddziaływać na stabilność ekosystemu, zdrowie ludzi i zwierząt.

Uwalnianie niebezpiecznych substancji znajduje swoje odzwierciedlenie w sieciach troficznych. W tkankach bezkręgowców, ptaków morskich, ryb i ssaków stwierdzana jest obecność dawno wycofanych z produkcji i użycia POP, co potwierdza przenikanie i przenoszenie tych chemikaliów do wszystkich poziomów troficznych. W roślinach arktycznych stężenia PCB i pestycydów chloroorganicznych są obecnie wyższe niż w tamtejszych glebach. Sieci troficzne będą stanowiły zatem istotny wektor rozprzestrzeniania się uwolnionych substancji.

Arktyka kryje naturalne złoża metali, które są wydobywane od dziesięcioleci. Aktywność górnicza pozostawiła odpady bogate w toksyczne metale ciężkie, takie jak rtęć, arsen i nikiel. Szacuje się, że samej rtęci w wiecznej zmarzlinie zmagazynowanych jest około 800 tys. t, a obecne trendy ocieplenia mogą zwiększyć jej emisję do 2300 r. nawet o 200 proc.

Gleba i wieczna zmarzlina Arktyki wykazują wysoki poziom zawartości odpadów radioaktywnych, zgromadzonych na skutek testów nuklearnych, prowadzonych tu od lat 50. XX w. Detonacje przeprowadzone przez Związek Radziecki na archipelagu Nowej Ziemi uwolniły 265 Mt energii jądrowej. Na morzach Barentsa i Karskim Rosjanie zatopili ponad 100 wycofanych z eksploatacji okrętów podwodnych z napędem atomowym, uwalniając radioaktywny pluton i cez, wykrywany dziś w osadach dennych i pokrywach lodowych, a także w roślinach i glebie pod lodowcami. Naukowcy szacują, że poziom promieniowania w Arktyce może pozostać szkodliwy do 2500 r.

Zombie z lodu

Jeżeli gazy cieplarniane i materiały promieniotwórcze mogą być dla niektórych pewną abstrakcją, to może wirusy już nią nie będą. W prawdzie ich także nie widać gołym okiem, ale konsekwencje pojawienia się mogą być naprawdę spektakularne, o czym ludzkość przekonała się wielokrotnie w swojej historii.

W wiecznej zmarzlinie Arktyki czyhają bowiem także liczne zagrożenia mikrobiologiczne, takie jak bakterie i wirusy. Niska temperatura, brak światła i tlenu tworzą warunki idealne do konserwacji materiału biologicznego, dzięki którym mikroorganizmy (z uwagi na swoją długowieczność zwane przez naukowców mikroorganizmami Matuzalema) mogą przetrwać tysiące, a nawet miliony lat. W 2014 r. naukowcy wyizolowali ze zmarzliny syberyjskiej żywe wirusy i wykazali, że mimo iż były zakonserwowane przez tysiące lat, nadal miały zdolność zarażania organizmów jednokomórkowych.

Co prawda atakowały jedynie ameby i nie stanowiły zagrożenia dla ludzi, ale nie oznacza to, że inne wirusy – obecnie uwięzione w wiecznej zmarzlinie – nie mogą wywoływać chorób u człowieka. Dalsze badania, opublikowane w 2022 r. [9, 10], ujawniły istnienie w lodach Syberii kilku różnych szczepów wirusów, które utrzymały zdolność zarażania hodowanych komórek. Jedna z próbek miała ponad 48 tys. lat. Badania wiecznej zmarzliny szwedzkiego Stordalen Mire wykazało ponad 1,9 tys. wirusów, z których 58 proc. było nadal aktywnych [11].

Naukowcy uważają, że w najgłębszych warstwach wiecznej zmarzliny mogą być zachowane wirusy, które mają nawet 1 mln lat, a więc są znacznie starsze od naszego gatunku, który prawdopodobnie pojawił się około 300 tys. lat temu. Oznacza to, że z wieloma z nich ludzki układ odpornościowy nigdy nie miał kontaktu. Scenariusz, w którym nieznany wirus, który kiedyś zarażał neandertalczyka, staje się zagrożeniem dla współczesnego człowieka, choć mało prawdopodobny, przestał być kompletną abstrakcją.

Nie tylko ludzie i mamuty

Doniesienia medialne na temat znalezisk w topniejącej zmarzlinie skupiają się głównie na dużych, spektakularnych obiektach, takich jak stosunkowo licznie odkrywane pozostałości mamutów czy człowiek z lodu – Ötzi, znaleziony w 1991 r. na alpejskim lodowcu Val Senales na granicy Tyrolu i Włoch, którego wiek ustalono na pięć i pół tysiąca lat.. Jak pisze Maja Lunde w swojej ostatniej książce:

Ötzi przez wiele lat dzierżył tytuł najstarszej europejskiej mumii, ale to było jeszcze przed dwudziestym pierwszym wiekiem, zanim nadeszły czasy wielkich roztopów, zanim odsłonięte zostały naprawdę wiekowe pokłady lodu (…) [12]. Autorka jednych może zachwycać wizjonerstwem, innych irytować naiwnością, ale niektóre z jej wizji wydają się coraz bardziej prawdopodobne. Już całkiem niedługo może się okazać, że topniejąca zmarzlina uwolni jeszcze bardziej zadziwiające duchy przeszłości.

W artykule korzystałam m.in. z:

[1] Lindgren A., Hugelius G., Kuhry P., et al. (2016). GIS-based maps and area estimates of Northern Hemisphere permafrost extent during the last glacial maximum: LGM permafrost. Permafr. Periglac. Process., 27 6–16

[2] Overduin P P., Deimling S. von T., Miesner F., et al. (2019). Submarine permafrost map in the Arctic modeled using 1-D transient heat flux (SuPerMAP). J. Geophys. Res. Oceans, 124, 3490–507

[3] Szewczyk J., Zamrożony czas. https://web.archive.org/web/20190501153606/https:/www.pgi.gov.pl/kopalnia-wiedzy/128-energia-geotermalna/594-zamroiony-czas.html

[4] Biskaborn B.K., Smith S.L., Noetzli J. et al. (2019). Permafrost is warming at a global scale. Nat Commun, 10, 264. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4

[6] Miner K.R., Turetsky M.R., Malina E. et al. (2022)Permafrost carbon emissions in a changing Arctic. Nat Rev Earth Environ 3, 55–67. https://doi.org/10.1038/s43017-021-00230-3

[7] Schuur E.A.G., Abbott B.W., Commane R., et al. (2022). Permafrost and Climate Change: Carbon Cycle Feedbacks From the Warming Arctic. Annual Review of Environment and Resources, 47:343-371. https://doi.org/10.1146/annurev-environ-012220-011847

[8] Miner K.R., D’Andrilli J., Mackelprang R. et al. (2021). Emergent biogeochemical risks from Arctic permafrost degradation. Nat. Clim. Chang. 11, 809–819. https://doi.org/10.1038/s41558-021-01162-y

[9] Rigou S., Christo-Foroux E., Santini S., et al.. (2022). Metagenomic survey of the microbiome of ancient Siberian permafrost and modern Kamchatkan cryosols. microLife, 3, uqac003. https://doi.org/10.1093/femsml/uqac003

[10] Rigou S., Santini S., Abergel C., et al. (2022). Past and present giant viruses diversity explored through permafrost metagenomics. Nat Commun, 13, 5853. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33633-x

[11] Emerson J.B., Roux S., Brum J.R., et al. (2018). Host-linked soil viral ecology along a permafrost thaw gradient. Nat Microbiol 3, 870–880. https://doi.org/10.1038/s41564-018-0190-y

[12] Lunde M. Sen o drzewie. Wydawnictwo Literackie, 2024