Klimatförändringar resulterar i varmare havstemperaturer, smältande glaciärer och mer extrema vädermönster. Forskare har också observerat dess effekter på musslorna, sniglar, maskar, krabbor, borrar, sjöstjärnor med mera som lever på och i den djupa havsbotten utanför Alaska, när ekosystemet har skiftat från arktiskt till subarktiskt under de senaste decennierna.

Nu, forskare vid University of Chicago och University of Maryland Center for Environmental Sciences har funnit att snäckskal från dessa varelser visar samma stora regimförändring i Alaskas vatten, där ekosystemet har skiftat från arktiskt till subarktiskt under de senaste decennierna. Det är första gången som någon har spårat ekosystemförändringar enbart genom snäckskalsprover - och forskare hoppas att det kommer att erbjuda ett nytt verktyg för att spåra klimatförändringar i regioner där djurpopulationer inte har dokumenterats som fullt ut.

"Det faktum att döda skal registrerar dessa förändringar så tydligt öppnar upp ett mycket större område av arktiska havsbotten, där vi nu kan testa för stora förändringar i havsbottensamhällen, sa Susan Kidwell, William Rainey Harper professor i geofysiska vetenskaper, en ledande forskare inom området marin paleoekologi och medförfattare till studien som publicerades den 8 april. "Forskare var inte där för att se alla förändringar som ekosystemen har genomgått, men nu kanske de kan rekonstruera en ekologisk historia från den industriella revolutionen och framåt."

En ny metod

Sedan 1980-talet, Jacqueline Grebmeier, studiemedförfattare och forskningsprofessor vid University of Maryland Center for Environmental Science och medlem av styrkommittén för Distributed Biological Observatory, har lett årliga undersökningar för att testa för förändringar i djurpopulationer kopplade till havsis och vattenförhållanden i det arktiska Stilla havet. När Grebmeiers team hämtar levande exemplar för sin undersökning, tusentals döda skal dras med.

Tidigare hade de döda skalen kastats, men UChicago doktorand Caitlin Meadows, huvudförfattaren på studien, insåg att detta var en möjlighet att testa om dessa skal reflekterade samma förändringar som ekologer observerade, som skulle kunna fungera som ett verktyg för att känna igen biologiska förändringar i mindre väl studerade områden i Arktis.

Ängar analyserade mer än 14, 000 skal både för att spåra överflöd – antalet djur per art – och för att beräkna deras organiska kolbiomassa, som rekonstruerar det ursprungliga köttinnehållet hos skalade varelser med hjälp av deras kroppsstorlek såväl som överflöd.

"Att titta på förändringar i kolbiomassa på havsbotten är ett bra sätt att knyta an till klimatförändringar, " Sa Meadows. "Vi kan se förändringarna i mängden mat och hur den maten flödar genom ekosystemet."

Även om hon bara betraktade den skalproducerande delen av samhället, Meadows bekräftade vad ekologer redan hade hittat:Det har skett en förändring i ekosystemet. Specifikt, Meadows observerade att det tidigare ekosystemet som bevarats i döda skal skilde sig från det nuvarande levande ekosystemet. Hon noterade en förskjutning mot Tellinidae, en familj av musslor som är generalistmatare – en grupp djur som antingen kan äta mat som har lagt sig på havsbotten eller filtrera mat från vatten, så att de kan överleva i ett föränderligt ekosystem genom att filtrera mat från vatten eller genom att äta avlagringar av mat som lagt sig på botten.

Det skedde också en förändring av biomassa, från en uppsättning tvåskaliga arter till en annan inom varje utfodringsgrupp – vilket innebär att nya arter tog över dessa jobb i ekosystemet. Detta är en del av en stor förändring av andra havsbottendjur i samma region - mot maskar och bort från de små kräftdjuren som är nyckelföda för stora däggdjur som gråvalar.

Till sist, på grundval av döda skal, Meadows fann att en undergrupp av arter som nu bara lever nära Alaskas kust brukade leva i ett större utbud av havsbottenlivsmiljöer och ut på djupare vatten.

"Vi har vetat ett tag att dessa ekosystem nu är helt annorlunda, " sa Kidwell. "Det har skett en verklig omorganisation, återspeglar en förändring i maten, syresättning och kornstorlek — hur kraftiga bottenströmmarna är. Dessa faktorer drivs alla av temperaturförändringar, men har en mycket större inverkan på ett ekosystem än enbart uppvärmning."

Alla dessa förskjutningar mellan levande djur och döda skal finns på platser där Grebmeiers grupp oberoende har visat ekosystemförändringar under de senaste 30 åren. Eftersom den här nya studien upptäckte liknande antal levande och döda musslor även i regioner där det inte fanns en observerad ekosystemförändring, de vet att det sannolikt inte är ett fel i provtagningen.

"Döda skal fungerar därför bra för att identifiera områden med senaste ekosystemförändringar, och inte producerar "falska positiva" där ingen förändring har skett, " sa Meadows.

Ett hav av förändring

Det arktiska Stilla havet utanför Alaskas kust är ett ekosystem med en hög täthet av havsbottendjur där "saker förändras först och snabbt, " enligt Meadows. Den snabba förändringen beror på ett fenomen som kallas arktisk förstärkning där, när reflekterande is smälter, nyexponerat vatten och mark absorberar mer värme från solen, vilket resulterar i ännu mer uppvärmning.

"Vi kunde verkligen isolera klimatförändringarna som drivkraften för dessa förändringar, ", sa Meadows. "Arktis har inga enorma kustbosättningar eller intensivt jordbruk som kan ha påverkat kustvattnen, och undersökningsområdet ligger norr om där det mesta yrkesfisket är tillåtet."

Meadows och Kidwell hoppas att denna metod att använda skal som ett historiskt register över förändringar nu kommer att fungera som ett verktyg för forskare som studerar andra regioner. "Det där fönstret in i det förflutna kan ge oss tillgång till en mycket mer komplett bild av hur Arktis har förändrats, sa Kidwell.

Skalen som Meadows studerade är nu geologiskt åldersdaterade för att fastställa hur länge de har ackumulerats, och därmed hur länge de ekologiska förhållandena hade varit stabila före det senaste regimskiftet.

Nästa, Meadows kommer att resa till St Petersburg, Ryssland för att fördjupa sig i landets zoologiska museisamlingar för historiska insikter om den sidan av Berings hav, där havsbotten provtagits så långt tillbaka som på 1800-talet.