El Niño/Southern Oscillation (ENSO) är ett globalt klimatfenomen som är mest känt för El Niño-fasen som kännetecknas av varma havstemperaturer i östra Stilla havet, intensiva vinterstormar och hög nederbörd. El Niño påverkar växter, djur och människor runt om i världen genom att förödande fiske i Stilla havet, utlösa torka i vissa delar av världen och orsaka massiva översvämningar i andra.

Många modeller förutspår att klimatförändringar kommer att underblåsa starkare och mer frekventa El Niño-händelser. Vår kunskap om ENSO och dess inflytande på ekosystem från historiska eller instrumentella register sträcker sig dock bara cirka 200 år tillbaka i tiden, vilket gör det svårt att förstå vad den långsiktiga framtiden kommer att innebära för en El Niño-dominant värld.

Ett team av forskare ledda av University of Utah skapade en finkornig analys av El Niños inverkan på djursamhällen som sträckte sig över de senaste 12 000 åren. Studien publicerades online i tidskriften Science den 8 september 2022.

I den nya studien utnyttjade författarna en bergsskyddsplats vid kusten som heter Abrigo de los Escorpiones (Escorpiones), en av de största och bäst daterade samlingarna av ryggradsdjursben som deponerats av människor och rovfåglar på Stillahavskusten i Nordamerika. Platsen grävdes ut av Ruth Gruhn och Alan Bryan från University of Alberta mellan 2000-2004. För denna studie fokuserade författarna på fisk- och fågelfaunan och identifierade arter från små fragmentariska benbitar. De jämförde sedan faunasamlingarna med sedimentlagren i Ecuadors sjö Pallcacocha, en av de mest använda, kontinuerliga registreringarna av förhistoriska El Niño-händelser.

Deras analys avslöjade ett slående mönster - när fem eller fler stora El Niño-händelser inträffade per århundrade, omstrukturerades de marina och terrestra ekosystemen dramatiskt till en fas av låg marin produktivitet och hög landbaserad produktivitet. Den fem-per-hundrade vändpunkten inträffade först för cirka 7 000 år sedan och fortsatte i flera årtusenden, vilket ledde till en period av stabil men låg marin produktivitet.

Om starka El Niño-händelser ökar i framtiden, vilket många klimatmodeller nu projicerar, tyder denna ekologiska tröskel på att ENSO kommer att spela en allt viktigare roll för att kontrollera strukturen av framtida terrestra och marina ekosystem i östra Stilla havet, och jordens biosfär bredare.

"Vårt begränsade erfarenhetsfönster med El Niño får oss att tro att mer El Niño är lika med mer variation, mer förändring, fler förändringar. Men våra uppfattningar baseras enbart på ett mycket snävt tidsfönster i den moderna eran som på det stora schemat med saker, är en period då El Niño är väldigt ovanligt, säger Jack Broughton, professor i antropologi vid University of Utah och senior författare till studien. "Vi har visat att i den stora bilden är mycket El Niño lika med mycket stabilitet. För kustsamhällen i östra Stilla havet betyder detta en stabil sträcka av improduktiva marina ekosystem. Och det har enorma konsekvenser för så många olika aspekter av livet på jorden ."

Under icke-El Niño-år vimlar den östra Stillahavskusten av liv på grund av kallt, näringsrikt vatten som strömmar upp till ytan och upprätthåller planktonsamhällena som det marina livet är baserat på. Under El Niño blir havsytan mycket varmare, vilket gör att planktondensiteten sjunker. Detta krusar genom de övre trofiska nivåerna – de små fiskarna som äter planktonet, de större fiskarna som äter de små fiskarna, fåglarna som äter fiskarna, de marina däggdjuren som äter fåglarna och fiskarna. Däremot orsakar El Niño kraftiga regn i regionens terrestra ekosystem, vilket producerar en välsignelse av produktivitet för landbaserade resurser. Detta stämmer överens med en studie från 2015 där Broughton och medarbetare fann att kaninpopulationer kontrollerades starkt av El Niño-variationer, baserat på data från Escorpiones och Lake Pallcacocha.

Tillsammans med konsekvenser för framtiden belyser fynden viktiga ögonblick i vårt förflutna, inklusive mänsklig migration till Amerika, den varierande mänskliga användningen av kust- och inre livsmiljöer och utrotningen av den flyglösa ankan Chendytes.

Ett bergskydd och en sjöbädd:extraordinära arkiv

Regn och vatten från det omgivande höglandet har runnit ut i sjön Pallcacocha under de senaste 12 000 åren. Under stora regnstormar, som är signaturer på El Niño-händelser, häller en enorm mängd material ut i sjön och lägger sig på botten i ett tjockt, ljust lager. Under åren med färre El Niño-händelser lägger sig sedimentet i mycket tunnare, mörkare lager. Tidigare arbete radiokarbondaterade varje lager och delade upp dem i hundraåriga steg. De tjocka banden korrelerade exakt med instrumentala och historiska rekord av starka El Niño-händelser under de senaste ~200 åren.

Escorpiones rockshelter, beläget på nordvästra kusten av Baja California, Mexiko, innehåller en 26 fot (8 meter) djup fyndighet av kasserade snäckskal, djurben och arkeologiska artefakter, med 97 radiokoldatum som avslöjar en 12 000-årig kronologisk historia av avsättning av människor och rovfåglar. Denna studie identifierade 18 623 marina fiskar och marina och landlevande fågelexemplar som representerade 132 arter, mödosamt arbete som utförts under de senaste 14 åren. Forskarna organiserade proverna i 100-åriga steg för att passa in i paleo-ENSO-rekordet.

Pallcacocha avslöjade en nästan frånvaro av ENSO för mellan 11 000 och 7 000 år sedan med El Niño-frekvensen som ökade dramatiskt för mellan 7 000 och 5 000 år sedan. I Escorpiones rekord var fågel- och fiskarter extremt varierande innan ENSO uppstod. När El Niño gick in i högfrekvensfasen omstrukturerades djursamhällena dramatiskt och förblev sedan relativt stabila. Havsfåglar, som vanlig murres och skärvatten, och fiskarter associerade med kalla vatten, såsom stenfisk och kelpbass, fanns i stort överflöd när El Niño-händelserna var sällsynta men minskade dramatiskt efter att den högfrekventa fasen började. Dessutom exploderade landlevande fågelarter under de starka El Niño-åren.

"Denna magiska siffran är fem starka El Niño-händelser per århundrade – vi gjorde inte bara ögonen på det. Det är baserat på statistiska tester som visar oss att hela faunan förändras på det här sättet, inte bara några isolerade arter," sa Broughton.

Mänsklig migration, markanvändning och utrotning av ankor utan flyg

Denna ekologiska vändpunkt har omfattande konsekvenser, inklusive för vår förståelse av mänsklig kolonisering av Amerika. Fynden stöder "Kelp Highway Hypothesis" som hävdar att tidiga bosättare skulle ha följt friska kelpskogar från nordöstra Asien, över Beringssundet och in i Amerika. Enligt Escorpiones rekord hade den östra Stillahavskusten El Niño-fria, näringsrika kelpskogar för omkring 12 000 år sedan när människor föreslås ha gjort resan.

Studien visar också att tidigare människor var känsliga för dessa förändringar och tillbringade mycket mer tid vid kusten - vid Escorpiones - under de perioder då El Niño var sällsynt och den marina miljön var mycket produktiv. De flyttade bort från platsen, förmodligen in i det inre, under El Niño-åren när jordlevande livsmiljöer blomstrade.

"Det här rekordet ger en glimt av hur tidigare befolkningar anpassade sig till specifika utmaningar orsakade av klimatförändringar, i det här fallet genom att migrera till mer produktiva miljöer när kustnära ekosystem minskade", säger Brian Codding, professor i antropologi vid U:t och medförfattare på studie. Registreringen av frekvensen av mänsklig webbplatsanvändning baserades på trender i frekvensen av återvunna artefakter per århundrade.

Fynden tyder också på att El Niño spelade en roll i utrotningen av Chendytes , en flyglös anka i gåsstorlek som antogs ha överjakts av människor. Escorpiones har tillhandahållit den mest detaljerade redogörelsen för ankans historia och antyder att även om människor hade ätit den i minst 6 000 år, försvann den bara runt den period då El Niño-frekvenserna ökar dramatiskt, och när det skedde många andra förändringar i den marina ekologin, inklusive fördjupningar av andra sjöfåglar.

"Det detaljerade dokumentet från Escorpiones illustrerar vikten av miljöförändringar för att driva utrotningen av Chendytes , som utstod årtusenden av mänsklig predation bara för att försvinna efter att El Niño-händelserna blev vanligare", säger Tyler Faith, docent i antropologi vid U.S., curator vid Natural History Museum of Utah och medförfattare till studien.

Nästa steg

Det finns vissa begränsningar för studien. Sjön registrerar bara måttliga eller starka El Niño-händelser, så författarna kunde inte utvärdera om svaga El Niño-händelser påverkade faunan. Ytterligare arbete med att utvärdera mönster mellan svaga och starka El Niño-händelser kan klargöra denna fråga. För att ytterligare förstå dessa mönster analyserar forskarna för närvarande hur däggdjur som sälar, havsutter och sjölejon påverkades av El Niño och om ytterligare El Niño-tröskeleffekter på millennieskala kan förekomma.

Det finns många andra faktorer som påverkar de marina och terrestra ekosystemen i studieområdet, inklusive andra klimatsystem och processer. Författarna betonar detta - men det verkar som om El Niño kontrollerar de marina/terrestra ekosystemen när det händer mycket. Under faser när ENSO är tyst har andra oceanografiska eller klimatsystem (som Pacific Decadal Oscillation, North American Monsoon) viktiga effekter.

"El Niño-händelser har den mest kontrollerande effekten på dessa ekosystem när de inträffar bortom den kritiska tröskeln på fem gånger per århundrade", sa Broughton. "Om starka El Niño-händelser ökar i framtiden tyder vår analys på att landbaserad produktivitet kommer att öka, men de marina ekosystemen i östra Stilla havet kommer att tvingas tillbaka till ett mer stabilt men mindre produktivt tillstånd."

Andra medförfattare till studien är Joan Coltrain och Isaac Hart från University of Utah, Kathryn Mohlenhoff från Paleowest och Ruth Gruhn från University of Alberta. + Utforska vidare

ENSOs kombinationsläges roll i underhållet av den anomala anticyklonen över norra Stilla havet under boreala sommaren