svalbardseminaret 2016: jordens eldste isbjørn

Photo: Ó. Ingólfsson, 2006

Jordens eldste isbjørn - et geologiskt drama

Ólafur Ingólfsson Professor i geology

UNIS ([email protected])

Ph t Ó I ólf 2014


Historiens disposisjon • UNIS studenter fant i 2004 en fossil

underkjeve av en isbjørn på Prins Karls Forland, Svalbard

- Fyndplatsens stratigrafi og fossilens ålder • Vad ved vi om isbjørnens naturhistoria? - DNA studier belyser isbjørnens evolusjon • Hva kan vi antyde om isbjørnens fremtid et

varmare Arktis?

Før vi begynner vår historie... • Stratigrafi er den grenen av geologien som forsker på lagdelingen, alderen, sammensetningen, fordelingen osv. av lagdelte geologiske avleiringer. • Pleistosen = Istiden, som varte fra ca. 2.6 MY til ca. 10 tusen år føre nutid • Eem = Seneste mellomistid, som varte mellom ca. 130-115 tusen år føre nutid. - En mellomistid eller interglasial er en periode under istiden med varmere temperaturer og begrensede isutbredelse • Weichsel = Istidens seneste store nedisningsperiode, ca.115-10 tusen år føre nutid • Holosen = Den nåværende mellomistiden, de siste 10 tusen åren • Karbondatering = Radiometrisk dateringsmetode, som blir benyttet for å datere organisk materiale som er op til 50 000 år gammelt. • Aminosyredatering = Dateringsteknikk som går du fra endringer i aminosyre molekyler i organiske prøver før å anslå tiden gått siden de ble dannet. • IRSL og OSL datering = Datingsteknikker som trekker på de optiske egenskapene av kvarts og feltspat mineraler som finnes i sedimenter for å beregne når sedimentet ble sist utsett for sollys..

Mellomistid til glasiasjon: Fra begrensede is (som i dag) til en stor

innlandsis, som sen forsvinner...

Brucebukta

Kystklipper-

kystseksjoner

Poolepynten

Isbjørnfossilets fynd plats:

Poolepynten

Photo: Norsk Polarinstitutt

Prins Karls Forland

Brucebugta

Forlandsundet

Poolepynten

TopoSvalbard, Norsk Polarinstitutt

Isbjørnfossilets fynd plats:

Poolepynten

Vår historie beginner i 1996...


Poolepynten seksjonen: stratigrafi

Andersson et al. 1999


Marine sedimenter. Høy havsnivå når isen smelter. Mellomistid.


Glasiale sedimenter. Isen vokser. Istid.


Glasiale sedimenter. Isen vokser. Istid

Photos: Ó. Ingólfsson, 2012


Photos: Ó. Ingólfsson, 2002 and 2012


Subfossil isbjørnkjeve funnet i unit A på Poolepynten

Photos: Ó. Ingólfsson, 2004

Stratigrafi og isbjørnkjevens alder

Isbjørnkjevens ålder er vid det her laget uklar på grund av dårlig

precision i åldersbestemmelserne!

De marine sedimenterne i enhet A tyder på deglaciation

Stratigrafi og isbjørnkjevens alder

Illustration modified from Mangerud et al. 1998

Isbjørnkjeven troligen 130-110 tusen år gammal!


Isbjørnkjevens osteologi

Illustration from Ingólfsson & Wiig 2009

Kjeven fra Poolepynten stammer fra en fullvoksen hann


Stabile isotoper fra den fossile kjeven fra Poolepynten demonstrer at kjeven er fra et dyr som spiste marin føde (sel) og hadde en økologi som ligner dagens isbjørn

Photos: Courtesy US Fish and Wildlife Service

Isbjørnens naturhistorie

Isbjørnfossil er meget sjeldne


Photo: I.S. Jónsdóttir, 2005

• De fleste fossil er ikke gamle

• En del fossiler fra siste deglaciation

• Ett tidligare fynd ca. 70 år gammelt

Isbjørnfossil er meget sjeldne

Fossil find, location Age Inferred age

Kolnæs, Greenland 440±45

Northeastern Greenland 820±60

Washington Land, Greenland 960±60

Washington Land, Greenland 1415±60

Arctic Canada 1510±30

Victoria Island, Nunavut, Canada 1560±65

Brønlund Fjord, Greenland 1520±110

Prince of Wales Island, Nunavut, Canada 2135±120

Sønderland, Greenland 3320±85

Sønderland, Greenland 3470±85

Nuulliit, Thule, Greenland 5060±95

Kuröd, Bohuslän, Sweden 10.170±125

Finnøy, Norway 10.925±110

Asdal, Denmark 11.240±180

Östra Karup, Scania, Sweden 12.230±130

Kullaberg, Scania, Sweden 12.320±125

Nordcemgrotta, Kjæpsvik, N Norway 22 ka

Hamnsundhelleren, W Norway 36-28 ka Middle Weichselian

Nordcemgrotta, Kjæpsvik, N Norway 39-42 ka; >70±8.5 ka Early Weichselian

Poolepynten, Prins Karls Forland, Svalbard >45 ka; 150-80 ka Eemian to Early Weichselian,

Table from Ingólfsson & Wiig 2009

Konklusjoner så langt

• Kjeven fra Poolepynten er fra en fullvoksen isbjørnhann

• Den fossile isbjørnen levde av sel

• Dette er trolig det eldste kjente isbjørnfossilet, sannsynligvis 130-110 tusen år gammelt.

Photos: Ó. Ingólfsson, 2004 and 2009

Publisert in Polar Research 28, 455-462; desember 2009

Photo: http://boneblogger.com/wp-content/uploads/2010/08/polar-bear.jpg


Isbjørn (Ursus maritimus) er den største av de fem bjørnarterna av slekten Ursus.

Isbjørnen er en høyt spesialisert predator av sel.


Photo: fotopedia.com

Isbjørn er circumpolar. Den sørlige grensen av området bestemmes av fordelingen av pakkisen og landfast is om vinteren.

Photo: polarbearsinternational.org


I banebrytende forskning konkluderte Thenius (1953) at en relativt sent nedstigningen fra brunbjørn var mest sannsynlig.

Photos: marilyn-h20lily.blogspot.com


Kurtén (1964) konkluderte at isbjørn sannsynligvis forgrenet fra brunbjørner som ble isolert vid kysten av Nordishavet under Istiden og med tiden ble stadig mer spesialiserte rovdyr som jaktet sel på pakkisen...

Photo: Dan Crosbie; psc.apl.washington.edu


Isbjørnen er ett dyr fra istiden, vel anpassa til et veldig hårdt klima og

store miljøendringer

Hughes et al. 2015

Nært forhold mellom isbjørn og brunbjørn er bekreftet av at de to artene kan produsere fruktbare hybrider. Siden de geografiske områdene av isbjørn og brunbjørner sjelden overlapper, har dette primært skjedd når de har møts i dyrehager.

Photos: source unknown


May 11, 2006—DNA analysis has confirmed that a bear shot in the Canadian Arctic last month is a half-polar bear, half-grizzly hybrid. While the two bear species have interbred in zoos, this is the first evidence of a wild polar bear-grizzly offspring.

http://news.nationalgeographic.com/news/2006/05/bear-hybrid-photo.html


http://www.spiegel.de/international/world/bild-859218-408551.html

http://www.barcroft.tv/polar-bear-peek-a-boo

Når skildes isbjørn og brunbjørn åt?

• Kurtén (1968): Kanskje kom isbjørnen frem som en ny art så sent som før 70.000-100.000 år sedan.

• Wayne et al. (1991): 70-100 tusen år

• Talbot & Shields (1996): 300-400 tusen år

• Yu et al. (2004): 1000-1500 tusen år

• Yu et al. (2007): 1300 tusen år

• Edwards et al. 2011: 2000-400 tusen år

• Hailer et al. (2012): 600 tusen år



Vi ville se hvis vi kunne trekke ut bevart mtDNA fra kjevebenet?


Publisert i 2010

Splittelsen mellom brunbjørn og isbjørn ble anslått til en alder på 152.000 år og beginnelsen på isbjørnens slektslinje ble anslått til 134.000 år.



• Kombinert fossilbevis og mtDNA studier tyder på at isbjørn kan har forgrenet ut fra brunbjørn før 150.000 år siden.

• Veldig tidlig i deres evolusjonære historie hadde isbjørnen tilpasset sin unike økologi i Arktis

Konklusjonene av vår 2010 studie

Stratigraphy modified from Ingólfsson & Wiig 2009

?


?

?

Illustration modified from Ingólfsson & Wiig 2009

Poolepynten seksjonen: ny undersøkning av stratigrafien

?

Illustration modified from Ingólfsson & Wiig 2009

?


A1

A2

A3

A1

A2

A3

Log from: Dudek, J. 2011: Reinvestigation of the stratigraphy of Poolepynten coastal cliffs, western Svalbard. AG332, UNIS


Vi tog prover før at gjøre nye

ålders-bestemmelser Poolepynten avlejringerne

med OSL daterings-metoden



• Vi kan bekrefte at den nederste enheten i Poolepynten I virkeligheten er tre enheter

• De nye OSL dateringene viser at laget som den fossile isbjørnen kommer ifra er av Eem alder, fra den seneste mellomistiden.

• Isbjørnkjeven har alder av ca. 130.000 år

Konklusjoner efter ny undersøkning

Publisert 2012

Publisert 2012

Konklusjoner efter ny undersøkning

• I stedet for at isbjørn og brunbjørn separeres før noen hundre tusen år siden, tror vi nu at splittelsen skjedde før 4-5 millioner år siden.

• Studien viser også krysningar mellom brunbjørnar og isbjørnar mye oftare enn man tidligare trott. Et genetiskt mønster indikerar paring mellom de to arterna i perioder når klimaet tilsa overlappande leveområder

• Studien viser også at genetisk variasjon hos isbjørner er mye mindre en hos brunbjørner. Dette tyder på at isbjørner har gått i gjennom evolusjonære flaskehalser, dvs populasjonen har tidvis vært veldig små

• Den evolusjonære historien til de to artene indikerer at det i fremtiden er sannsynlig med en økende forekomst av slike hendelser fordi klimaendringer igjen fører til større overlapp i utbredelsen til de to artene


Hva vil skje med isbjørnen når Arktis blir varmare?

Hva vil skje med isbjørnen når Arktis blir varmare?

Det finnes ingen risk før at utbredelses-områden for brunbjørn og isbjørn

overlapper på Svalbard

Photo: Ó. Ingólfsson 2014


Vi kan helt sikkert forvente oss at historien om isbjørnens fortid vil skrives

om i framtida

Kjeven fra Poolepynten vill alltid være en viktig brikke i puslespillet, gitt dens unike position som verdens eldste isbjørnfossil!

Vitenskap er et detektivarbejde… men vitenskap er også et eventyr, og du vet aldri når en ny oppdagelse kan ta deg med på en spennende reise…


Takk til studentene i AG-301/326/332/832, spesielt

klassen i 2004!

References • Aaris-Sorensen, K. and Petersen, K.S. 1984. A Late Weichselian find of a polar bear (Ursus maritimus) from Denmark and reflections on the

paleoenvironment. Boreas 13: 29-33. • Amstrup, S. C., and C. Gardner. 1994. Polar bear maternity denning in the Beaufort Sea. Journal of Wildlife Management 58: 110. • Amstrup, S. C., G. Durner, I. Stirling, N. J. Lunn, and F. Messier. 2000. Movements and distribution of polar bears in the Beaufort Sea. Canadian

Journal of Zoology 78: 94866. • Andersson, Th, Forman, S., Ingólfsson, Ó. & Manley, W. 1999: Late Quaternary environmental history of central Prins Karls Forland, Svalbard.

Boreas 28, 292-307. • Berglund, B. E., Håkansson, S. & Lepiksaar, J. 1992: Late Weichselian polar bear (Ursus maritimus Phipps) in southern Sweden. Sveriges

Geologiska Undersökning Ca 81: 31-42. • Bergsten, H., Andersson, T. & Ingólfsson, Ó . 1998: Foraminiferal stratigraphy of raised marine deposits, representing isotope stage 5, Prins Karls

Forland, western Svalbard. Polar Research 17: 81–91. • Demaster, D.P. and I. Stirling 1981 Ursus maritimus (Polar Bear). American Society of Mammalogists, Mammalian Species 145: 1-7. • Edwards, C. J., Suchard, M. A., Lemey, P., Welch, J. J., Barnes, I., Fulton, T. L., Barnett, R., O'Connell, T. C., Coxon, P., Monaghan, N.,

Valdiosera, C. E., Lorenzen, E. D., Willerslev, E., Baryshnikov, G. F., Rambaut, A., Thomas, M. G., Bradley, D. G. & Shapiro, B. 2011: Ancient Hybridization and an Irish Origin for the Modern Polar Bear Matriline. Current Biology 21, 1251-1258.

• Ferguson, S. H., M. K. Taylor, E. W. Born, A. Rosing-Asvid, and F. Messier. 1999. Determinants of home range size for polar bears (Ursus maritimus). Ecology Letters 2: 31118.

• Flynn, J.J. et al. (2005): Molecular Phylogeny of the Carnivora (Mammalia): Assessing the Impact of Increased Sampling on Resolving Enigmatic Relationships. Systematic Biology 54: 317–337.

• Hailer, F., Kutschera, V. E., Hallström, B. M., Klassert, D., Fain, S. R., Leonard, J. A., Arnason, U. & Janke, A. 2012: Nuclear Genomic Sequences Reveal that Polar Bears Are an Old and Distinct Bear Lineage. Science 336, 344-347.

• Ingolfsson, O. & Wiig, Ø. 2009. Late Pleistocene fossil find in Svalbard: the oldest remains of a polar bear (Ursus maritimus Phipps, 1744) ever discovered. Polar Research 28, 455-462-

• Kurtéen, B. 1964. The evolution of the polar bear, Ursus maritimus Phipps. Acta Zoologica Fennica 108: 130. • Kurtén, B. & Anderson, E. 1980. Pleistocene Mammals of North America. New York, Columbia University Press, 442 p. • Larsen, T., H. Tegelström, R. K. Juneja, and M. K. Taylor. 1983. Low protein variability and genetic similarity between populations of the polar bear

(Ursus maritimus). Polar Research 1: 97105. • Lindqvist, C. , Schuster, S.C., Sun, Y.Z , Talbot, S.L., Qi, J., Ratan, A., Tomsho, L.P., Kasson, L., Zey,l., Aars, J. Miller, W., Ingolfsson, O.,

Bachmann, L. & Wiig, Ø. 2010. Complete mitochondrial genome of a Pleistocene jawbone unveils the origin of polar bear. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 107, 5053-5057.

• Miller, W., Schuster, S.C., Welch, A.J., Ratan, A., Bedoya-Reina, O.C., Zhao, F., Kim, H.L., Burhans, R.C., Drautz, D.I., Wittekindt, N.E., Tomsho, L.P., Ibarra-Laclette, E., Herrera-Estrella, L., Peacock, E., Farley, S., Sage, G.K., Rode, K., Obbard, M., Montiel, R., Bachmann, L., Ingólfsson, Ó., Aars, J., Mailund, T., Wiig, Ö., Talbot, S.L. & Lindqvist, C. 2012. Polar and brown bear genomes reveal ancient admixture and demographic footprints of past climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109, E2382-E2390.

• Talbot, S. L., and G. F. Shields. 1996. Phylogeography of brown bears (Ursus arctos) of Alaska and paraphyly within the Ursidae. Molecular Phylogenetics and Evolution 5: 47794.

• Thenius, E. 1953. Concerning the analysis of the teeth of polar bears. Mammalogical Bulletin 1: 1420. • Waits, L.P. et al. (1999). Rapid radiation events in the Family Ursidae indicated by likelihood phylogenetic estimation from multiple fragments of

mtDNA. Molecular Phylogenetics and Evolution 13: 82–92, • Yu, L., Q. W. Li, D. A. Ryder, and Y. P. Zhang. 2004. Phylogeny of the bears (Ursidae) based on nuclear and mitochondrial genes. Molecular

Phylogenetics and Evolution 32(2):480–494. • Yu, L. et al. 2007. Yu L, Li Y-W, Ryder O, & Zhang Y (2007) Analysis of complete mitochondrial genome sequences increases phylogenetic

resolution of bears (Ursidae), a mammalian family that experienced rapid speciation. BMC Evol. Biol. 7:198-209.