Evoluce Země
Stejně jako drahokam lapis lazuli, kterému se podobá, se modrá, mraky pokrytá planeta, kterou okamžitě poznáme ze satelitních snímků, zdá být pozoruhodně stabilní. Kontinenty a oceány, obklopené atmosférou bohatou na kyslík, podporují známé formy života. Tato stálost je však iluzí, kterou vytváří lidská zkušenost s časem. Země a její atmosféra se neustále mění. Desková tektonika posouvá kontinenty, zvedá pohoří a posouvá dno oceánů, zatímco dosud ne zcela pochopené procesy mění klima.
Takové neustálé změny charakterizují Zemi od jejího počátku asi před 4,5 miliardami let. Od počátku utvářely vývoj planety teplo a gravitace. K těmto silám se postupně přidaly globální vlivy spojené se vznikem života. Zkoumání této minulosti nám nabízí jedinou možnost, jak pochopit vznik života a možná i jeho budoucnost.
Vědci se dříve domnívali, že kamenné planety, včetně Země, Merkuru, Venuše a Marsu, vznikly rychlým gravitačním zhroucením prachového mraku, deatací, která dala vzniknout husté kouli. V 60. letech 20. století tento názor změnil vesmírný program Apollo. Studium měsíčních kráterů odhalilo, že tyto rýhy vznikly dopadem objektů, které byly ve velkém množství asi před 4,5 miliardami let. Poté se ukázalo, že počet impaktů rychle klesl. Toto pozorování omladilo teorii akrece, kterou postuloval Otto Schmidt. Tento ruský geofyzik v roce 1944 navrhl, že planety se zvětšovaly postupně, krok za krokem.
Podle Schmidta se kosmický prach shlukoval do částic, z částic se stal štěrk, ze štěrku malé kuličky, pak velké kuličky, pak malé planety neboli planetesimály a nakonec se prach stal velkým jako Měsíc. Jak se planetesimály zvětšovaly, jejich počet se snižoval. V důsledku toho klesal i počet srážek mezi planetesimálami neboli meteority. Méně předmětů dostupných pro akreci znamenalo, že vybudování velké planety trvalo dlouho. Podle výpočtu George W. Wetherilla z Carnegie Institution of Washington mohlo mezi vznikem objektu o průměru 10 km a objektu o velikosti Země uplynout přibližně 100 milionů let.
Proces akrece měl pro Zemi významné tepelné důsledky, důsledky, které silně usměrnily její vývoj. Velká tělesa narážející do planety vyvolala v jejím nitru obrovské teplo, které roztavilo kosmický prach, jenž se tam nacházel. Vzniklá výheň – nacházející se asi 200 až 400 kilometrů pod zemí a nazývaná magmatický oceán – byla aktivní po miliony let a dávala vzniknout sopečným erupcím. Když byla Země mladá, teplo na povrchu způsobené vulkanismem a výlevy lávy z nitra zesilovalo neustálé bombardování obrovskými tělesy, z nichž některá byla možná velká jako Měsíc nebo dokonce Mars. V tomto období nebyl možný žádný život.
Kromě objasnění skutečnosti, že Země vznikla akrecí, přinutil program Apollo vědce pokusit se rekonstruovat následný časový a fyzikální vývoj rané Země. Tento podnik považovali zakladatelé geologie, včetně Charlese Lyella, jemuž je připisována následující věta, za nemožný: Žádné stopy po počátku, žádné vyhlídky na konec. Tento výrok vyjadřuje myšlenku, že mladou Zemi nelze znovu vytvořit, protože její pozůstatky byly zničeny samotnou její činností. Rozvoj izotopové geologie v 60. letech 20. století však tento názor učinil zastaralým. Jejich představy zčervenaly díky programu Apollo a ndingům z Měsíce a geologové začali tuto techniku používat k pochopení vývoje Země.
Datování hornin pomocí tzv. radioaktivních hodin umožňuje geologům pracovat na starých terénech, které neobsahují zkameněliny. Ručičkami radioaktivních hodin jsou izotopy – atomy téhož prvku, které mají různé atomové hmotnosti – a geologický čas se měří podle rychlosti rozpadu jednoho izotopu na jiný . Mezi mnoha hodinami jsou zvláštní ty, které jsou založeny na rozpadu uranu 238 na olovo 206 a uranu 235 na olovo 207 . Geochronologové mohou určit stáří vzorků analýzou pouze dceřiného produktu – v tomto případě olova – radioaktivního mateřského izotopu, uranu.
Rozpad zirkonů
ISOTOPOVÁ GEOLOGIE umožnila geologům určit, že akrece Země vyvrcholila diferenciací planety: vznikem jádra – zdroje magnetického pole Země – a počátkem atmosféry. Klasická práce Claire C. Pattersonové z Kalifornského technologického institutu z roku 1953 použila olověné uranové hodiny ke stanovení stáří Země a mnoha meteoritů, které ji vytvořily, na 4,55 miliardy let. Počátkem devadesátých let však práce jednoho z nás (Allègre) na izotopech olova vedla k poněkud nové interpretaci.
Jak tvrdila Pattersonová, některé meteority skutečně vznikly asi před 4,56 miliardami let a jejich úlomky tvořily Zemi. Země však nadále rostla bombardováním planetesimál až o nějakých 120 až 150 milionů let později. V té době – před 4,44 až 4,41 miliardami let – si Země začala udržovat atmosféru a vytvářet své jádro. Tuto možnost navrhli Bruce R. Doe a Robert E. Zartman z U.S. Geological Survey v Denveru již před dvěma desetiletími a je v souladu s Wetherillovými odhady.
Vznik kontinentů přišel o něco později. Podle teorie deskové tektoniky jsou tyto pevniny jedinou částí zemské kůry, která není recyklována, a tedy ničena během geotermálního cyklu poháněného konvekcí v plášti. Kontinenty tak představují určitou formu paměti, protože v jejich horninách lze číst záznamy o dřívějším životě. Geologická činnost, včetně deskové tektoniky, eroze a metamorfismu, však zničila téměř všechny dávné horniny. Tuto geologickou mašinérii přežilo jen velmi málo úlomků.
V posledních desetiletích bylo přesto provedeno několik důležitých nd, opět s využitím izotopové geochemie. Jedna skupina pod vedením Stephena Moorbatha z Oxfordské univerzity objevila v západním Grónsku terén starý 3,7 až 3,8 miliardy let. Samuel A. Bowring z Massachusettského technologického institutu navíc prozkoumal malou oblast v Severní Americe – gneiss Acasta -, jejíž stáří se odhaduje na 3,96 miliardy let.
Pátrání po minerálu zirkonu nakonec přivedlo další badatele k ještě staršímu terénu. Zirkon, který se obvykle vyskytuje v kontinentálních horninách, se během erozního procesu nerozpouští, ale ukládá se ve formě částic v sedimentech. Několik kousků zirkonu proto může přežít miliardy let a může sloužit jako svědek dávnější zemské kůry. Hledání starých zirkonů začalo v Paříži prací Annie Vitrac a Jol R. Lancelot, později na univerzitě v Marseille, respektive nyní na univerzitě v Nmes, a také úsilím Moorbath a Allgre. Úspěšná byla nakonec skupina na Australské národní univerzitě v Canbeře, kterou vedl William Compston. Tým objevil v západní Austrálii zirkony staré 4,1 až 4,3 miliardy let.
Zirkony mají zásadní význam nejen pro pochopení stáří kontinentů, ale i pro určení doby, kdy se poprvé objevil život. Nejstarší fosilie nesporného stáří byly nalezeny v Austrálii a Jižní Africe. Tyto relikty sinic jsou staré asi 3,5 miliardy let. Manfred Schidlowski z Ústavu Maxe Plancka pro chemii v Mohuči studoval útvar Isua v západním Grónsku a tvrdil, že organická hmota existovala již před 3,8 miliardami let. Protože většina záznamů o raném životě byla zničena geologickou činností, nemůžeme přesně říci, kdy se poprvé objevil – možná vznikl velmi rychle, možná dokonce před 4,2 miliardami let.
Příběhy z plynů
JEDNÍM Z NEJDŮLEŽITĚJŠÍCH aspektů vývoje planety je vznik atmosféry, protože právě toto seskupení plynů umožnilo životu vylézt z oceánů a udržet se. Vědci již od 50. let 20. století předpokládají, že pozemská atmosféra vznikla díky plynům vystupujícím z nitra planety. Když sopka chrlí plyny, je to příklad nepřetržitého odplyňování, jak se říká, Země. Vědci si však kladli otázku, zda k tomuto procesu došlo náhle – zhruba před 4,4 miliardami let, kdy se diferencovalo jádro – nebo zda probíhal postupně v průběhu času.
Aby na tuto otázku odpověděli, Allègre a jeho kolegové studovali izotopy vzácných plynů. Tyto plyny – včetně helia, argonu a xenonu – mají tu zvláštnost, že jsou chemicky inertní, to znamená, že v přírodě nereagují s jinými prvky. Dva z nich jsou zvláště důležité pro studium atmosféry: argon a xenon. Argon má tři izotopy, z nichž argon 40 vzniká rozpadem draslíku 40. Xenon jich má devět, z nichž xenon 129 má dva různé původy. Xenon 129 vznikl v důsledku nukleosyntézy před vznikem Země a sluneční soustavy. Vznikl také rozpadem radioaktivního jódu 129, který se na Zemi již nevyskytuje. Tato forma jódu byla přítomna velmi brzy, ale od té doby zanikla a xenon 129 se rozrostl na její úkor.
Stejně jako většina dvojic mají i argon 40 a draslík 40 a xenon 129 a jód 129 své příběhy. Jsou to vynikající chronometry. Přestože atmosféra vznikla zplyňováním pláště, neobsahuje žádný draslík 40 ani jód 129. Na rozdíl od atmosféry, která vznikla zplyňováním pláště, neobsahuje žádný draslík 40 ani jód 129. Veškerý argon 40 a xenon 129, které vznikly v Zemi a uvolnily se, se dnes nacházejí v atmosféře. Xenon byl vyloučen z pláště a zachován v atmosféře, proto nám poměr tohoto prvku v atmosféře a plášti umožňuje vyhodnotit stáří diferenciace. Argon a xenon zachycené v plášti se vyvinuly radioaktivním rozpadem draslíku 40 a jódu 129. Pokud by tedy na počátku vzniku Země došlo k úplnému odplynění pláště, atmosféra by neobsahovala žádný argon 40, ale obsahovala by xenon 129.
Hlavní výzvou pro badatele, který chce měřit tyto poměry rozpadu, je získání vysokých koncentrací vzácných plynů v plášťových horninách, protože jejich množství je velmi omezené. Naštěstí dochází na středooceánských hřbetech k přirozenému jevu, při němž sopečná láva přenáší některé křemičitany z pláště na povrch. Malá množství plynů zachycených v plášťových minerálech stoupají s taveninou k povrchu a koncentrují se v malých puchýřcích na vnějším sklovitém okraji lávových výlevů. Tento proces slouží ke koncentraci množství plášťových plynů na faktor 104 nebo 105. Sběr těchto hornin bagrováním mořského dna a jejich následné drcení ve vakuu v citlivém hmotnostním spektrometru umožňuje geochemikům stanovit poměry izotopů v plášti. Výsledky jsou poměrně překvapivé. Výpočty poměrů ukazují, že 80 až 85 procent atmosféry bylo zplyněno během prvního milionu let existence Země; zbytek se uvolňoval pomalu, ale neustále během následujících 4,4 miliardy let.
Složení této primitivní atmosféry zcela jistě dominoval oxid uhličitý, druhým nejhojnějším plynem byl dusík. Bylo zde také přítomno stopové množství metanu, amoniaku, oxidu siřičitého a kyseliny chlorovodíkové, ale nebyl zde žádný kyslík. Až na hojnou přítomnost vody byla atmosféra podobná atmosféře Venuše nebo Marsu. O podrobnostech vývoje původní atmosféry se vedou diskuse, zejména proto, že nevíme, jak silné bylo v té době Slunce. Některá fakta však nejsou sporná. Je zřejmé, že klíčovou roli hrál oxid uhličitý. Kromě toho se mnozí vědci domnívají, že vyvíjející se atmosféra obsahovala dostatečné množství plynů, jako je amoniak a metan, které daly vzniknout organickým látkám.
Stále však zůstává nevyřešen problém Slunce. Jedna z hypotéz tvrdí, že během archaického eonu, který trval přibližně před 4,5 miliardami až 2,5 miliardami let, byl výkon Slunce pouze 75 % dnešního. Tato možnost vyvolává dilema: Jak mohl život přežít v relativně chladném klimatu, které by mělo slabší Slunce doprovázet? Řešení paradoxu slabého raného Slunce, jak je nazýván, nabídli Carl Sagan a George Mullen z Cornellovy univerzity v roce 1970. Oba vědci navrhli, že metan a amoniak, které velmi účinně zachycují infračervené záření, byly poměrně hojné. Tyto plyny mohly vytvářet superskleníkový efekt. Myšlenka byla kritizována na základě toho, že tyto plyny jsou vysoce reaktivní a mají krátkou dobu života v atmosféře.
Co řídilo co?“
Na konci 70. let Veerabhadran Ramanathan, který nyní působí na Scrippsově oceánografickém institutu, a Robert D. Cess a Tobias Owen ze Stony Brook University navrhli jiné řešení. Postulovali, že v rané atmosféře nebyl metan potřeba, protože oxidu uhličitého bylo dost na to, aby vyvolal superskleníkový efekt. Tento argument opět vyvolal jinou otázku: Kolik oxidu uhličitého bylo v rané atmosféře? Pozemský oxid uhličitý je dnes pohřben v karbonátových horninách, například ve vápenci, i když není jasné, kdy se v nich zachytil. Dnešní uhličitan vápenatý vzniká především při biologické činnosti; v archaickém eonu mohl být uhlík odstraňován především při anorganických reakcích.
Rychlé odplynění planety uvolnilo z pláště obrovské množství vody, čímž vznikly oceány a hydrologický cyklus. Kyseliny, které byly pravděpodobně přítomny v atmosféře, erodovaly horniny a vytvářely horniny bohaté na uhličitany. O relativním významu takového mechanismu se však vedou diskuse. Heinrich D. Holland z Harvardovy univerzity se domnívá, že množství oxidu uhličitého v atmosféře během archaického období rychle klesalo a zůstávalo na nízké úrovni.
Poznání obsahu oxidu uhličitého v rané atmosféře je klíčové pro pochopení řízení klimatu. Dva protichůdné tábory předložily představy o tom, jak tento proces probíhá. První skupina zastává názor, že globální teploty a oxid uhličitý byly řízeny anorganickými geochemickými zpětnými vazbami; druhá tvrdí, že byly řízeny biologickým odstraňováním.
James C. G. Walker, James F. Kasting a Paul B. Hays, tehdy působící na Michiganské univerzitě v Ann Arbor, navrhli v roce 1981 anorganický model. Postulovali, že hladiny plynu byly na počátku archeánu vysoké a prudce neklesaly. Tato trojice předpokládala, že s oteplováním klimatu se vypařovalo více vody a hydrologický cyklus se stal energičtějším, čímž se zvýšily srážky a odtok. Oxid uhličitý v atmosféře se mísí s dešťovou vodou a vytváří odtok kyseliny uhličité, který vystavuje minerály na povrchu zvětrávání. Silikátové minerály se spojily s uhlíkem, který byl v atmosféře, a vázaly ho v sedimentárních horninách. Méně oxidu uhličitého v atmosféře pak znamenalo menší skleníkový efekt. Proces anorganické negativní zpětné vazby kompenzoval nárůst sluneční energie.
Toto řešení kontrastuje s druhým paradigmatem: biologickým odstraňováním. Jedna z teorií, kterou rozvinul James E. Lovelock, původce hypotézy Gaia, předpokládala, že fotosyntetizující mikroorganismy, například fytoplankton, budou v prostředí s vysokým obsahem oxidu uhličitého velmi produktivní. Tito živočichové pomalu odstraňovali oxid uhličitý ze vzduchu a oceánů a přeměňovali ho na usazeniny uhličitanu vápenatého. Kritici namítali, že fytoplankton se po většinu doby, kdy na Zemi existuje život, vůbec nevyvíjel. (Hypotéza Gaii tvrdí, že život na Zemi má schopnost regulovat teplotu a složení zemského povrchu a udržovat ho tak pro živé organismy pohodlný)
Na počátku 90. let 20. století navrhli Tyler Volk z Newyorské univerzity a David W. Schwartzman z Howardovy univerzity další gaiovské řešení. Všimli si, že bakterie zvyšují obsah oxidu uhličitého v půdě rozkladem organických látek a tvorbou huminových kyselin. Obě činnosti urychlují zvětrávání a odstraňují oxid uhličitý z atmosféry. V tomto bodě se však rozpory vyostřují. Někteří geochemici, včetně Kastinga, který nyní působí na Pensylvánské státní univerzitě, a Hollanda, postulují, že zatímco život může být příčinou určitého odstraňování oxidu uhličitého po archeu, anorganické geochemické procesy mohou vysvětlit většinu sekvestrace. Tito badatelé považují život za poměrně slabý klimatický stabilizační mechanismus po většinu geologického období.
Kyslík z řas
Otázka uhlíku zůstává klíčová pro to, jak život ovlivňoval atmosféru. Pohřbívání uhlíku je klíčem k životně důležitému procesu vytváření koncentrace kyslíku v atmosféře – což je předpokladem pro rozvoj některých forem života. V současné době navíc dochází ke globálnímu oteplování v důsledku uvolňování tohoto uhlíku člověkem. Po jednu nebo dvě miliardy let produkovaly kyslík řasy v oceánech. Protože je však tento plyn vysoce reaktivní a v dávných oceánech se nacházelo mnoho redukovaných minerálů – například železo se snadno oxiduje -, velká část kyslíku produkovaného živými tvory se jednoduše spotřebovala dříve, než se dostala do atmosféry, kde by se setkala s plyny, které by s ním reagovaly.
I kdyby evoluční procesy daly v této anaerobní éře vzniknout složitějším formám života, neměly by žádný kyslík. Navíc by je pravděpodobně zabilo neochráněné ultrafialové sluneční záření, pokud by opustily oceán. Vědci jako Walker a Preston Cloud, tehdy působící na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře, předpokládali, že teprve před zhruba dvěma miliardami let, poté, co byla většina redukovaných minerálů v moři zoxidována, došlo k nahromadění atmosférického kyslíku. Před jednou až dvěma miliardami let dosáhl kyslík současné úrovně, čímž se vytvořila nika pro vyvíjející se život.
Zkoumáním stability některých minerálů, jako je oxid železitý nebo oxid uraničitý, Holland prokázal, že obsah kyslíku v archeánské atmosféře byl před dvěma miliardami let nízký. Panuje většinou shoda, že dnešní obsah kyslíku ve výši 20 % je výsledkem fotosyntetické činnosti. Přesto je otázkou, zda se obsah kyslíku v atmosféře zvyšoval postupně v průběhu času, nebo náhle. Nejnovější studie naznačují, že nárůst obsahu kyslíku začal náhle před 2,1 až 2,03 miliardami let a že současného stavu bylo dosaženo před 1,5 miliardami let.
Přítomnost kyslíku v atmosféře měla pro organismus, který se snažil žít na povrchu nebo nad ním, ještě jednu velkou výhodu: chránila ultrafialové záření. Ultrafialové záření rozkládá mnoho molekul – od DNA a kyslíku až po chlorouhlovodíky, které se podílejí na úbytku ozonu ve stratosféře. Taková energie štěpí kyslík na vysoce nestabilní atomární formu O, která se může spojit zpět na O2 a na velmi zvláštní molekulu O3 neboli ozon. Ozon zase pohlcuje ultrafialové záření. Teprve když byl kyslík v atmosféře dostatečně hojný na to, aby umožnil vznik ozonu, měl život vůbec šanci zakořenit nebo se uchytit na souši. Není náhodou, že rychlý vývoj života od prokaryot (jednobuněčných organismů bez jádra) přes eukaryota (jednobuněčné organismy s jádrem) k metazoím (mnohobuněčným organismům) proběhl právě v miliardové éře kyslíku a ozonu.
Ačkoli atmosféra v tomto období dosahovala poměrně stabilní hladiny kyslíku, klima bylo sotva jednotné. Během přechodu do moderní geologické doby se střídaly dlouhé etapy relativního tepla nebo chladu. Složení fosilních schránek planktonu, který žil v blízkosti oceánského dna, poskytuje měřítko teploty spodní vody. Záznam naznačuje, že za posledních 100 milionů let se spodní vody ochladily o téměř 15 stupňů Celsia. Hladiny moří klesly o stovky metrů a kontinenty se od sebe vzdálily. Vnitrozemská moře většinou zmizela a klima se ochladilo v průměru o 10 až 15 stupňů C. Zhruba před 20 miliony let se na Antarktidě zřejmě vytvořil trvalý led.
Přibližně před dvěma až třemi miliony let začínají paleoklimatické záznamy vykazovat výrazné expanze a kontrakce teplých a chladných období v přibližně 40 000letých cyklech. Tato periodicita je zajímavá, protože odpovídá době, za kterou Země dokončí oscilaci sklonu své osy rotace. Již dlouho se spekuluje a nedávno bylo spočítáno, že známé změny v geometrii oběžné dráhy by mohly změnit množství slunečního světla přicházejícího mezi zimou a létem asi o 10 procent a mohly by být zodpovědné za zahájení nebo ukončení dob ledových.
Teplá ruka člověka
Nejzajímavější a nejrozpačitější je zjištění, že před 600 000 až 800 000 lety převládající cyklus přešel ze 40 000letých period na 100 000leté intervaly s velmi velkými výkyvy. Poslední velká fáze zalednění skončila asi před 10 000 lety. V době jejího vrcholu před 20 000 lety pokrývaly ledové příkrovy o tloušťce kolem dvou kilometrů velkou část severní Evropy a Severní Ameriky. Ledovce se rozšiřovaly na náhorních plošinách a v horách po celém světě. Na pevnině bylo zadrženo tolik ledu, že hladina moří klesla o více než 100 metrů pod dnešní úroveň. Mohutné ledové příkrovy vymlely zemi a přepracovaly ekologickou tvář Země, která byla v průměru o ve stupňů C chladnější než v současnosti.
Přesné příčiny delších intervalů mezi teplými a chladnými obdobími nejsou dosud vyřešeny. Významnou roli mohly sehrát sopečné erupce, jak ukazuje vliv sopky El Chichón v Mexiku a hory Pinatubo na Filipínách. Tektonické události, jako například vývoj Himálaje, mohly mít vliv na světové klima. Dokonce i dopad komet může ovlivnit krátkodobé klimatické trendy s katastrofickými důsledky pro život . Je pozoruhodné, že navzdory prudkým, epizodickým poruchám bylo klima dostatečně nárazníkové, aby udrželo život po dobu 3,5 miliardy let.
Jeden z nejzásadnějších klimatických objevů posledních 30 let pochází z ledových jader v Grónsku a Antarktidě. Když na těchto zmrzlých kontinentech padá sníh, vzduch mezi sněhovými zrny se zachycuje v podobě bublin. Sníh se postupně stlačuje do ledu spolu se zachycenými plyny. Některé z těchto záznamů mohou sahat více než 500 000 let zpět; vědci mohou analyzovat chemický obsah ledu a bublin z úseků ledu, které leží až 3600 metrů hluboko pod povrchem.
Vrtači ledových jader zjistili, že vzduch, který dýchali staří Egypťané a indiáni kmene Anasazi, byl velmi podobný tomu, který vdechujeme dnes – až na řadu látek znečišťujících ovzduší, které se do něj dostaly v posledních 100 nebo 200 letech. Mezi tyto přidané plyny nebo znečišťující látky patří především oxid uhličitý a metan. Přibližně od roku 1860, kdy došlo k rozmachu průmyslové revoluce, se množství oxidu uhličitého v atmosféře zvýšilo o více než 30 % v důsledku industrializace a odlesňování; množství metanu se více než zdvojnásobilo v důsledku zemědělství, využívání půdy a výroby energie. Schopnost zvýšeného množství těchto plynů zachycovat teplo je důvodem obav ze změny klimatu v 21. století .
Ledová jádra ukázala, že trvalá přirozená rychlost celosvětové změny teploty je obvykle asi jeden stupeň C za tisíciletí. Tyto posuny jsou přesto dostatečně významné na to, aby radikálně změnily místa, kde žijí živočišné druhy, a potenciálně přispěly k vyhynutí takových charismatických megafaun, jako jsou mamuti a šavlozubí tygři. Nejpozoruhodnějším příběhem z ledových jader však není relativní stabilita klimatu během posledních 10 000 let. Ukazuje se, že v době vrcholící poslední doby ledové před 20 000 lety bylo v ovzduší o 50 % méně oxidu uhličitého a o méně než polovinu méně metanu než v naší epoše, holocénu. Toto zjištění naznačuje pozitivní zpětnou vazbu mezi oxidem uhličitým, metanem a klimatickými změnami.
Úvaha, která podporuje myšlenku tohoto destabilizujícího systému zpětné vazby, zní následovně. Když bylo na světě chladněji, byla menší koncentrace skleníkových plynů, a tak se zachytávalo méně tepla. Když se Země oteplila, zvýšilo se množství oxidu uhličitého a metanu, což oteplování urychlilo. Pokud měl život v tomto příběhu prsty, bylo to spíše proto, že klimatické změny poháněl, než aby jim bránil. Zdá se stále pravděpodobnější, že když se součástí tohoto cyklu stal člověk, také on přispěl k urychlení oteplování. Toto oteplování je obzvláště výrazné od poloviny 19. století v důsledku emisí skleníkových plynů z industrializace, změn ve využívání půdy a dalších jevů. Opět však přetrvávají nejistoty.
Většina vědců se nicméně shodne na tom, že život by mohl být hlavním faktorem pozitivní zpětné vazby mezi klimatickými změnami a skleníkovými plyny. Na konci 20. století došlo k rychlému nárůstu průměrné globální povrchové teploty . Období od 80. let 20. století bylo skutečně nejteplejší za posledních 2 000 let. Devatenáct z dvaceti nejteplejších zaznamenaných let se odehrálo od roku 1980 a všech dvanáct nejteplejších let se odehrálo od roku 1990. Vůbec nejteplejším rokem byl rok 1998 a na druhém a třetím místě se umístily roky 2002 a 2003. Existuje dobrý důvod se domnívat, že desetiletí 90. let by bylo ještě teplejší, kdyby nedošlo k výbuchu sopky Pinatubo: tato sopka dostala do vysokých vrstev atmosféry dostatek prachu, který blokoval část dopadajícího slunečního záření, což způsobilo globální ochlazení o několik desetin stupně na několik let.
Mohlo k oteplení za posledních 140 let dojít přirozenou cestou? Se stále větší jistotou lze říci, že ne.
Rámeček vpravo ukazuje pozoruhodnou studii, která se pokusila posunout teplotní záznamy severní polokoule o celých 1000 let zpět. Klimatolog Michael Mann z Virginské univerzity a jeho kolegové provedli složitou statistickou analýzu zahrnující přibližně 112 různých faktorů souvisejících s teplotou, včetně letokruhů stromů, rozsahu horských ledovců, změn korálových útesů, aktivity slunečních skvrn a vulkanismu.
Výsledný teplotní záznam je rekonstrukcí toho, co by bylo možné získat, kdyby byla k dispozici měření založená na teploměrech. (Skutečná měření teploty jsou použita pro roky po roce 1860.) Jak ukazuje interval spolehlivosti, v každém roce této tisícileté rekonstrukce teploty existuje značná nejistota. Celkový trend je však jasný: postupný pokles teploty během prvních 900 let, následovaný prudkým vzestupem teploty ve 20. století. Tento graf naznačuje, že desetiletí 90. let 20. století bylo nejen nejteplejší v tomto století, ale v celém minulém tisíciletí.
Studiem přechodu od atmosféry s vysokým obsahem oxidu uhličitého a nízkým obsahem kyslíku v archaickém období k éře velkého evolučního pokroku před zhruba půl miliardou let se ukazuje, že život mohl být faktorem stabilizace klimatu. V jiném případě – během dob ledových a meziledových cyklů – má život zřejmě opačnou funkci: změny spíše urychluje, než aby je snižoval. Toto pozorování vedlo jednoho z nás (Schneidera) k tvrzení, že klima a život se spíše vyvíjely společně, než že by život sloužil pouze jako negativní zpětná vazba na klima.
Pokud se my lidé považujeme za součást života – tedy za součást přírodního systému – pak lze tvrdit, že náš společný vliv na Zemi znamená, že můžeme mít významnou koevoluční roli v budoucnosti planety. Současné trendy růstu populace, požadavky na zvyšování životní úrovně a využívání technologií a organizací k dosažení těchto na růst orientovaných cílů přispívají ke znečišťování. Pokud je cena za znečišťování nízká a atmosféra je využívána jako bezplatná stoka, může docházet k hromadění oxidu uhličitého, metanu, chlorouhlovodíků, oxidů dusíku, oxidů síry a dalších toxických látek.
Drastické změny před námi
Ve své zprávě Změna klimatu 2001 odborníci Mezivládního panelu pro změnu klimatu odhadli, že se svět do roku 2100 oteplí o 1,4 až 5,8 stupně Celsia. Mírný konec tohoto rozpětí – oteplení o 1,4 stupně Celsia za 100 let – je stále 14krát rychlejší než jeden stupeň Celsia za 1000 let, což je historicky průměrná rychlost přirozených změn v globálním měřítku. Pokud by došlo k překročení horní hranice tohoto rozmezí, mohli bychom být svědky téměř 60krát rychlejších klimatických změn, než je přirozený průměr, což by mohlo vést ke změnám, které by mnozí považovali za nebezpečné. Změny touto rychlostí by téměř jistě přinutily mnoho druhů, aby se pokusily přesunout své areály, podobně jako tomu bylo od přechodu mezi dobou ledovou a meziledovou před 10 000 a 15 000 lety. Nejenže by druhy musely reagovat na klimatické změny rychlostí 14 až 60krát vyšší, ale jen málokterý druh by měl nerušené a otevřené migrační trasy, jako tomu bylo na konci doby ledové a na začátku doby meziledové. Negativní dopady tohoto výrazného oteplení – mimo jiné na zdraví, zemědělství, pobřežní geografii a památky – by mohly být také závažné.
Abychom mohli provést kritické prognózy budoucích klimatických změn, které jsou nezbytné pro pochopení osudu ekosystémů na Zemi, musíme prozkoumat pevninu, moře a led a zjistit co nejvíce z geologických, paleoklimatických a paleoekologických záznamů. Tyto záznamy představují pozadí, na němž můžeme kalibrovat hrubé nástroje, které musíme použít, abychom nahlédli do stinné environmentální budoucnosti, která je stále více ovlivňována námi.
AUTOŘI
CLAUDE J. ALLGRE a STEPHEN H. SCHNEIDER studují různé aspekty geologické historie Země a jejího klimatu. Allgre je profesorem na Pařížské univerzitě a vede oddělení geochemie na pařížském Geofyzikálním institutu. Je zahraničním členem Národní akademie věd. Schneider je profesorem na katedře biologických věd na Stanfordově univerzitě a spoluředitelem Centra pro environmentální vědu a politiku. V roce 1992 byl oceněn MacArthurovou cenou Fellowship a v roce 2002 byl zvolen členem Národní akademie věd
.