Élet és tudomány

Vallatóra fogott mészvázak - Időjárás - kagylóhéjba zárva

Megjelent az Élet és tudomány 2009. szeptemberi számában

Írta: Schöll-Barna Gabriella (MTA Geokémiai Kutatóintézet)

Ki ne ugrált volna ki fél lábon, mérgelődve a Balatonból, mert a lábát elvágta az iszapban megbújt - már lakatlan - kagylóhéj? Ám ezek a héjak környezetkutatók számára értékes információkat hordozhatnak, persze mélyen, a héj karbonátjában elrejtve. 

 A Balaton Közép-Európa legnagyobb kiterjedésű tava. Vízfelülete 596 négyzetméter, átlagos mélysége 3,2 méter. Mivel sekélytó, hatványozottan érzékeny a klimatikus változásra, így nagy felületéből adódóan egy intenzív párolgással jellemzett nyári időszak következtében fokozottan lecsökkenhet a vízszint.

A tó kialakulásával kapcsolatban számos kutatás zajlott a Magyar Állami Földtani Intézet (MÁFI) Balaton-kutatás programjának keretében Cserny Tibor vezetésével. A Balaton medencéje az utolsó jégkorszak idejében, mintegy 20 ezer évvel ezelőtt jött létre. Maga a tó úgy 5000 évvel ezelőtt kisebb tavacskák összefűződésével alakult egységes tóvá. A vízszintingadozások következtében kisebb-nagyobb mértékben többször elsekélyesedett, elmocsarasodott. A vízszintingadozásokon túl a tó tápanyagtartalma is több ízben változott, amit pollenkutatási (palinológiai) vizsgálatok is alátámasztanak.

A Balaton területét érő klimatikus hatások kutatását eddig egy összetett földtani vizsgálat alapozta meg. Ezek a – főként üledékre alapozott – elemzések viszonylag nagy léptékű (több száz évnyi) változások kimutatására alkalmasak. A kagylóhéjak stabilizotóp-vizsgálatával egy új aspektussal egészíthetjük ki az eddigi kutatásokat, mégpedig az egészen rövid távú, szezonális változékonyság szempontjával. A könnyűelemek stabilizotópos geokémiája a hidrogén, szén, nitrogén, oxigén és kén stabilizotópjainak (deutérium – 2H, 1H, 13C, 12C, 15N, 14N, 18O, 16O, 34S, 32S) természetben való eloszlásával és annak törvényszerűségeivel foglalkozik. A kagylóhéjak esetében – kalcium-karbonátról lévén szó – a szén és az oxigén izotópjainak elemzése történik. A stabilis szénizotópok mennyiségét a kagylóhéjban elsősorban a környező víz oldott anyagának összetétele, valamint az állat vázába beépített, szerves eredetű szén metabolizmusa befolyásolja. Az oxigénizotóp-összetételt ugyanakkor alapvetően a hőmérséklet és a vízösszetétel határozza meg. (A víz és a karbonát között fennálló izotópos megoszlást frakcionációnak nevezzük.) Mindezek a tényezők a klimatikus és időjárási körülményektől függnek, így a kagylóhéjak ezeket a környezeti jellemzőket tükrözik.

A vizsgálatban a folyamkagylók (Unionidae család) fajait használjuk. Növekedésük erősen hőmérsékletfüggő, a 12 Celsius-fok feletti vízben április és október közé tehető. Az első években a növekedés mértéke robbanásszerű, majd egy idő után egyre kisebb mértékű.
A kagylóhéj külső rétege, a periostracum, conchiolinból álló szerves anyag. Sok más mészvázú élőlényhez hasonlóan viszont a háromrétegű kagylóhéj belső két rétege – a középső, prizmás rétegű ostracum és a legbelső, gyöngyházrétegű hipostracum – kalcium-karbonátból áll. A növekedési időszak alatt felhalmozódott gyarapodást vékony, sötét sávok választják el egymástól. Ez utóbbiak a hideg időszakokat jelzik, azt, amikor a növekedés leállt. Ez a kagylóhéj legkülső rétegén növekedési vonalak formájában is felismerhető, a héj keresztmetszetéből készült vékonycsiszolatokon azonban még szembetűnőbb.

A karbonátnak két módosulata is előfordulhat a kagylók vázában. Ezek az aragonit és a kalcit. A vizsgált kagylóhéjak eredetileg tisztán aragonitvázúak. A két karbonátmódosulat képes egymásba átalakulni, ám a vízben lévő karbonátizotópok megoszlása mindkét módosulat esetében más-más, ezért van jelentősége annak, hogy tudjuk: melyik módosulattal van dolgunk. Ennek kiderítésére kiválóan alkalmas a katódlumineszcencia módszere. A vizsgálatok azon a jelenségen alapulnak, hogy elektronbombázás hatására egyes ásványok fényt bocsátanak ki, ami mikroszkópban különleges szöveti jellemzőket tár fel. A kalcit narancsszínnel, míg az aragonit zöld színnel lumineszkál, így a szín alapján megállapítható, ha az aragonitváz valamelyik részén átalakulás történt. Ennek kimutatása alapvető fontosságú az izotópos geokémiai vizsgálatokban, hiszen az utólagos átalakulás megváltoztathatja az összetételt, ami hibás következtetések levonására vezetne.

A módszer ugyanakkor a régészeti vizsgálatokhoz is nyújthat hasznos információt. A kultúrák szokását illetően az aragonit-kalcit átalakulás vizsgálata fényt deríthet a kagylók egykori elkészítésének módjára. A szerkezetbeli átalakulás ugyanis 200 Celsius-fok felett nagyrészt lejátszódik, így amennyiben kalcit nyomát találjuk meg a héjban, feltételezhetjük, hogy a kagylókat sütötték, amennyiben a váz tisztán aragonit, a kagylókat főzték vagy nyersen fogyasztották. A katód-lumineszcens vizsgálatokat a Geokémiai Kutatóintézetben található mikroszkópra szerelt katód-lumineszcens berendezéssel Bajnóczi Bernadett vezette. Maga az OTKA által is támogatott kutatás a Demény Attila által vezetett Geokémia & Paleoklíma Kutatócsoport munkájának része a Geo­kémiai Kutatóintézetben.

Mint a környezet- és klímarekonstrukciók általában, a mi vizsgálatunk is az aktualizmus elve szerint működik, amely alapján a jelenkori változások visszavetítésével szerzünk információkat a múltbéli folyamatokról. Az esetünkben ez azt jelenti, hogy ma élő, recens kagylóhéjakat vizsgálunk a paleoklíma- és környezetváltozások feltérképezésére.
Noha a nemzetközi szakirodalom szerint vizsgálták az édesvízi kagylók héja és a víz közötti oxigénizotóp-eloszlás hőmérsékletfüggését, az eredmények nem egyértelműek. Éppen ezért a paleoklimatológiai alkalmazás előtt tisztázni kell a vizsgálandó területen élő fajokra jellemző frakcionációs viselkedést. Ezt recens kagylók és a környezeti víz elemzésével tudjuk meghatározni.

Hogyan lesz a kagylóból szezonalitásra utaló információ? – tehetnénk fel a kérdést jogosan. A titok a mintavételezésben rejlik. A vizsgálat alapja a kagylóhéj növekedése mentén, 0,6–1 milliméteres közönként fúrt nagyfelbontású karbonát-minták. A karbonát-minták stabilizotóp-arányának meghatározása után a kapott eredmény egy izotóp-görbe, amely a kagyló teljes életidejét lefedi. Az izotóp-összetételt megadó, úgynevezett δ-érték számítási módjából adódóan minél pozitívabb egy δ-érték, annál több nehéz, minél negatívabb, annál több könnyű izotópot tartalmaz a vizsgált anyag. (A stabil oxigén- és szénizotópos összetétel mérését az MTA Geokémiai Kutatóintézetében egy korszerű, vivőgázas tömegspektrométerrel végezzük.)

A görbék elemzésekor több szempontot is figyelembe veszünk. A szezonalitásról egyrészt a görbe alakja, lefutása, másrészt a kilengések mértéke árulkodik. Az ellaposodott görbe stagnáló állapotot, többnyire meleg, növekedésre optimális időszakot jelez. A pozitív irányú kilengések hirtelen párolgásra utalnak, mivel a párolgás során elsősorban a könnyűizotópokból álló molekulák távoznak, így a maradék víz a nehézizotópokban (jelen esetben a 18O-ban) dúsul fel. A negatív irányú eltolódás csapadékosabb időszakra utal: a csapadékvíz több könnyűizotópot tartalmaz a párolgás által nehézizotópban dús tóvízhez képest.

Az oxigénizotóp-összetétel mellett a szénizotópok arányait is meghatározzuk. A szénizotóp-összetétel a víz tápanyag-ellátottságáról ad információt, bár e tekintetében bonyolultabb a kép, hiszen a kagyló a vízből származó szén mellett a saját életfolyamatai során képződött (metabolikus eredetű) szenet is beépítheti. A szénizotóp-összetétel megváltozása ezért a környezeti változás mellett a kagyló metabolikus folyamatait is tükrözheti.
A Balaton menti egykori népek telepeinek feltárása során régészek többször bukkannak értékes kagylóhéjjal teli gödrökre. Ennek valószínű magyarázata, hogy a kagylót mint kiegészítő táplálékot fogyasztották, illetve díszítő elemként (nyakláncok, mészbetétes kerámiák) használták fel. Mindegyik használati módra számtalan példát ismernek a Szegedi Egyetem és az MTA Régészeti Kutatóintézet munkatársai.

Az archeológiai feltárások kagylóhéjai ebben az esetben szerencsés helyzetben vannak, mert amennyiben a kerámiák alapján a gödör kora megállapítható, akkor azzal egyidejűleg jó közelítéssel meghatároztuk a kagylóhéjak korát is.

Eddigi munkánk során egyebek között egy Ordacsehi melletti régészeti feltárásból származó, a kora bronzkortól a késő bronzkorig négy különböző korszakot felölelő héjak összehasonlítását végeztük el.

A kora bronzkori (Somogyvár–Vinkovci kultúra, Kisapostagi kultúra), kora-közép (Késő-Kisapostagi kultúra és Kora-Mészbetétes kultúra átmenete) és késő bronzkori (Halomsíros kultúra) héjak összehasonlítása alapján előzetes következtetéseket vonhatunk le. Eddigi eredmények arra engednek következtetni, hogy a kora bronzkor idején (4700–4500 és 4200–4000 évvel ezelőtt) az időjárás kiegyensúlyozottabb volt, míg a nagyobb ingadozással jellemezhető középső és késő bronzkor idején (3700/3600 és 3400/3300 évvel ezelőtt) valószínűsíthetően szélsőségesen csapadékos és száraz időszakok váltották egymást.
A régészeti leletek alapján ezek az utóbbi időszakok erőteljes változást mutatnak: a településszerkezet jókora átalakuláson ment keresztül: az erődített településeket felváltották a rövid életű falvak. Ennek egyik oka lehetett, hogy az ott élők a kimerült területeket felhagyni kényszerültek. Egy másik lehetséges ok a telepek felhagyására a telepeket ért klimatikus hatás. A kagylóhéjak stabilizotópos elemzésével eddig példa nélkül álló időbeli felbontással tudjuk vizsgálni a klímaváltozás évszakos hatásait. A továbbiakban a régészeti feltárásokból származó kagylóhéjakon túl fúrásokból származó héjtöredékek mérését is alkalmunk van, amivel régebbi időszakok szezonális vizsgálatára adódik lehetőség – akár 20 ezer évre visszamenőleg. Ezzel egy új fejezettel járulunk hozzá a Balaton klímatörténetéhez.
Az eredmények ahhoz nyújtanak hasznos adatokat, hogy megértsük a Kárpát-medence klímaváltozás során tanúsított viselkedését. A vizsgálatok végső célja a terület várható viselkedésének modellezése a múltban megfigyelt törvényszerűségek kimutatásával és a mostani jelenségekkel való összevetésével.