Evolution of Earth
Sininen, pilvipeitteinen planeetta, jonka tunnistamme heti satelliittikuvista, vaikuttaa hämmästyttävän vakaalta, kuten lapislazulihelmi, jota se muistuttaa. Happirikkaan ilmakehän ympäröimät mantereet ja valtameret elättävät tuttuja elämänmuotoja. Tämä pysyvyys on kuitenkin ihmisen aikakokemuksen tuottama illuusio. Maapallo ja sen ilmakehä muuttuvat jatkuvasti. Laattatektoniikka siirtää mantereita, kohottaa vuoria ja liikuttaa merenpohjaa, kun taas täysin tuntemattomat prosessit muuttavat ilmastoa.
Tällainen jatkuva muutos on ollut ominaista Maapallolle sen alusta lähtien noin 4,5 miljardia vuotta sitten. Alusta alkaen lämpö ja painovoima muokkasivat planeetan kehitystä. Näiden voimien rinnalle tulivat vähitellen elämän syntymisen maailmanlaajuiset vaikutukset. Tämän menneisyyden tutkiminen tarjoaa meille ainoan mahdollisuuden ymmärtää elämän alkuperää ja kenties sen tulevaisuutta.
Tutkijat uskoivat aiemmin, että kiviplaneetat, kuten Maa, Merkurius, Venus ja Mars, syntyivät pölypilven nopean gravitaatiolommahduksen, tiheän pallon synnyttäneen deation seurauksena. Apollo-avaruusohjelma muutti tämän näkemyksen 1960-luvulla. Kuun kraattereita koskevat tutkimukset paljastivat, että nämä uurteet johtuivat sellaisten esineiden iskeytymisestä, joita oli runsaasti noin 4,5 miljardia vuotta sitten. Sen jälkeen iskujen määrä näytti nopeasti vähentyneen. Tämä havainto elvytti Otto Schmidtin esittämän akkreditioteorian. Venäläinen geofyysikko oli vuonna 1944 esittänyt, että planeetat kasvoivat kooltaan vähitellen, askel askeleelta.
Schmidtin mukaan kosminen pöly kasaantui hiukkasiksi, hiukkasista tuli soraa, sorasta tuli pieniä palloja, sitten isoja palloja, sitten pieniä planeettoja eli planetesimaaleja, ja lopulta pölystä tuli kuun kokoista. Kun planetesimaaleista tuli suurempia, niiden määrä väheni. Näin ollen planetesimaalien eli meteoriittien välisten törmäysten määrä väheni. Akkretoituvien kappaleiden määrän väheneminen merkitsi sitä, että suuren planeetan rakentuminen kesti kauan. Washingtonin Carnegie-instituutissa toimivan George W. Wetherillin tekemän laskelman mukaan halkaisijaltaan 10 kilometrin kokoisen kappaleen ja Maan kokoisen kappaleen muodostumisen välillä saattoi kulua noin 100 miljoonaa vuotta.
Akkrektioprosessilla oli merkittäviä lämpötieteellisiä seurauksia Maalle, seurauksia, jotka ohjasivat voimakkaasti sen kehitystä. Planeettaan törmäävät suuret kappaleet tuottivat valtavaa lämpöä sen sisätiloissa sulattaen siellä olevaa kosmista pölyä. Syntynyt uuni – joka sijaitsi noin 200-400 kilometrin syvyydessä maan alla ja jota kutsutaan magmamereksi – oli aktiivinen miljoonien vuosien ajan synnyttäen tulivuorenpurkauksia. Kun maapallo oli nuori, tulivuorenpurkausten ja laavanpurkausten aiheuttamaa lämpöä maan pinnalla voimisti valtavien kappaleiden jatkuva pommitus, joista jotkut olivat ehkä kuun tai jopa Marsin kokoisia. Elämä ei ollut mahdollista tänä aikana.
Sen lisäksi, että Apollo-ohjelma selvitti, että Maa oli muodostunut akkredition kautta, se pakotti tutkijat yrittämään rekonstruoida varhaisen maapallon myöhempää ajallista ja fysikaalista kehitystä. Tätä yritystä olivat pitäneet mahdottomana geologian perustajat, mukaan lukien Charles Lyell, jolle liitetään seuraava lause: Ei jälkiä alusta, ei näkymiä lopusta. Tästä lausumasta käy ilmi ajatus siitä, että nuorta maapalloa ei voitu luoda uudelleen, koska sen jäänteet tuhoutuivat jo sen toiminnan seurauksena. Isotooppigeologian kehittyminen 1960-luvulla oli kuitenkin tehnyt tästä näkemyksestä vanhentuneen. Apollo- ja kuunäytösten punoittamat mielikuvituksensa geokemistit alkoivat soveltaa tätä tekniikkaa maapallon evoluution ymmärtämiseksi.
Kivien ajoittaminen niin sanottujen radioaktiivisten kellojen avulla antaa geologeille mahdollisuuden työskennellä vanhoissa maastoissa, joissa ei ole fossiileja. Radioaktiivisen kellon viisarit ovat isotooppeja – saman alkuaineen atomeja, joilla on eri atomipainot – ja geologista aikaa mitataan yhden isotoopin hajoamisnopeudella toiseksi . Monista kelloista erityisiä ovat ne, jotka perustuvat uraani 238:n hajoamiseen lyijyksi 206 ja uraani 235:n hajoamiseen lyijyksi 207 . Geokronologit voivat määrittää näytteiden iän analysoimalla vain radioaktiivisen kantatuotteen, uraanin, tyttötuotetta – tässä tapauksessa lyijyä.
Zirkonien etsintä
ISOTOOPIN GEOLOGIAN avulla geologit ovat voineet todeta, että maapallon kasautuminen huipentui planeetan erilaistumiseen: ytimen syntyyn – maapallon magneettikentän lähteeseen – ja ilmakehän syntyyn. Vuonna 1953 Kalifornian teknologiainstituutissa toimivan Claire C. Pattersonin klassisessa työssä käytettiin uraani-lyijykelloa, jonka avulla Maalle ja monille sen muodostaneille meteoriiteille määritettiin 4,55 miljardin vuoden ikä. 1990-luvun alussa erään meistä (Allègre) lyijyisotooppeja koskeva työ johti kuitenkin hieman uuteen tulkintaan.
Kuten Patterson väitti, jotkut meteoriitit todellakin muodostuivat noin 4,56 miljardia vuotta sitten, ja niiden jäänteet muodostivat Maan. Mutta Maa jatkoi kasvuaan planeettojen pommitusten kautta vasta noin 120-150 miljoonaa vuotta myöhemmin. Tuolloin – 4,44-4,41 miljardia vuotta sitten – Maa alkoi säilyttää ilmakehänsä ja luoda ytimensä. Tätä mahdollisuutta ehdottivat jo kaksi vuosikymmentä sitten Bruce R. Doe ja Robert E. Zartman Yhdysvaltain geologian tutkimuskeskuksesta Denveristä, ja se on yhdenmukainen Wetherillsin arvioiden kanssa.
Maanosien syntyminen tapahtui hieman myöhemmin. Lauttatektoniikan teorian mukaan nämä maamassat ovat ainoa osa maankuorta, joka ei kierräty ja näin ollen tuhoutuu vaipassa tapahtuvan konvektion ajaman geotermisen syklin aikana. Näin ollen mantereet tarjoavat eräänlaisen muistin, koska niiden kivistä voidaan lukea varhaisen elämän merkinnät. Geologinen toiminta, kuten mannerlaattatektoniikka, eroosio ja metamorfoosi, on kuitenkin tuhonnut lähes kaikki muinaiset kivet. Hyvin harvat fragmentit ovat selvinneet tästä geologisesta koneistosta.
Viime vuosikymmeninä on kuitenkin tehty useita tärkeitä havaintoja, jälleen isotooppigeokemian avulla. Yksi ryhmä, jota johti Stephen Moorbath Oxfordin yliopistosta, löysi Länsi-Grönlannista maastoa, joka on 3,7-3,8 miljardia vuotta vanhaa. Lisäksi Samuel A. Bowring Massachusetts Institute of Technologysta tutki Pohjois-Amerikassa pientä aluetta – Acastan gneissiä – jonka uskotaan olevan 3,96 miljardia vuotta vanhaa.
Loppujen lopuksi mineraalin zirkoni etsintä johti muut tutkijat vielä muinaisempaan maastoon. Tyypillisesti mannermaisissa kivissä esiintyvä zirkoni ei liukene eroosioprosessin aikana, vaan se laskeutuu hiukkasina sedimenttiin. Muutamat zirkonin kappaleet voivat näin ollen säilyä miljardeja vuosia, ja ne voivat toimia todistajina maapallon muinaisemmasta kuoresta. Vanhojen zirkonien etsintä alkoi Pariisissa Annie Vitracin ja Jol R. Lancelotin, myöhemmin Marseillen yliopistossa ja nykyisin Nmesin yliopistossa työskentelevien, sekä Moorbathin ja Allgrenin toimesta. Lopullisesti menestyksekäs oli Australian kansallisessa yliopistossa Canberrassa toimiva ryhmä, jota johti William Compston. Ryhmä löysi Länsi-Australiasta zirkoneita, jotka olivat 4,1-4,3 miljardia vuotta vanhoja.
Zirkonit ovat olleet ratkaisevassa asemassa paitsi mantereiden iän ymmärtämisessä myös elämän alkamisajankohdan määrittämisessä. Varhaisimmat kiistattoman ikäiset fossiilit löydettiin Australiasta ja Etelä-Afrikasta. Nämä sinilevien jäänteet ovat noin 3,5 miljardia vuotta vanhoja. Manfred Schidlowski Mainzin Max Planckin kemian laitokselta tutki Isua-muodostumaa Länsi-Grönlannissa ja väitti, että orgaanista ainetta oli olemassa jo 3,8 miljardia vuotta sitten. Koska geologinen toiminta on tuhonnut suurimman osan varhaista elämää koskevista tallenteista, emme voi sanoa tarkalleen, milloin se ilmestyi ensimmäisen kerran – ehkä se syntyi hyvin nopeasti, ehkä jopa 4,2 miljardia vuotta sitten.
Tarinoita kaasuista
YKSÄ MAAILMAN KEHITYKSEN MERKITTÄVIMMÄSTÄ ASTEESTA on ilmakehän muodostuminen, koska juuri tämä kaasujen yhdistelmä mahdollisti sen, että elämä saattoi ryömiä meristä ja säilyä. Tutkijat ovat 1950-luvulta lähtien olettaneet, että maapallon ilmakehä on syntynyt planeetan sisältä nousevista kaasuista. Kun tulivuori vuodattaa kaasuja, se on esimerkki maapallon jatkuvasta kaasuuntumisesta, kuten sitä kutsutaan. Tutkijat ovat kuitenkin kyseenalaistaneet sen, tapahtuiko tämä prosessi yhtäkkiä – noin 4,4 miljardia vuotta sitten, kun ydin erilaistui – vai tapahtuiko se vähitellen ajan kuluessa.
Kysymykseen vastaamiseksi Allègre kollegoineen tutki harvinaisten kaasujen isotooppeja. Näillä kaasuilla – muun muassa heliumilla, argonilla ja ksenonilla – on se erikoisuus, että ne ovat kemiallisesti inerttejä, eli ne eivät reagoi luonnossa muiden alkuaineiden kanssa. Kaksi niistä on erityisen tärkeitä ilmakehätutkimusten kannalta: argon ja ksenon. Argonilla on kolme isotooppia, joista argon 40 syntyy kalium 40:n hajoamisesta. Ksenonia on yhdeksän, joista ksenon 129:llä on kaksi eri alkuperää. Ksenon 129 syntyi ydinsynteesin tuloksena ennen Maan ja aurinkokunnan muodostumista. Se syntyi myös radioaktiivisen jodi 129:n hajoamisesta, jota ei enää ole maapallolla. Tätä jodin muotoa esiintyi hyvin varhain, mutta se on sittemmin hävinnyt, ja ksenon 129 on kasvanut sen kustannuksella.
Kuten useimmilla pareilla, sekä argon 40:llä ja kalium 40:llä että ksenon 129:llä ja jodi 129:llä on tarinoita kerrottavana. Ne ovat erinomaisia kronometrejä. Vaikka ilmakehä on muodostunut vaipan uloskaasutuksesta, se ei sisällä kalium 40:tä eikä jodi 129:ää. Kaikki argon 40 ja ksenon 129, jotka muodostuivat Maassa ja vapautuivat, ovat nykyään ilmakehässä. Ksenon poistui vaipasta ja säilyi ilmakehässä, joten tämän alkuaineen ilmakehän ja vaipan välisen suhteen perusteella voidaan arvioida erilaistumisen ikää. Argon ja ksenon, jotka ovat jääneet vaippaan, ovat syntyneet kalium 40:n ja jodi 129:n radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Jos siis vaipan täydellinen kaasunpoisto tapahtuisi Maan muodostumisen alussa, ilmakehä ei sisältäisi lainkaan argon 40:tä, mutta sisältäisi ksenonia 129.
Tutkijan, joka haluaa mitata tällaisia hajoamissuhteita, suurimpana haasteena on saada harvinaisten kaasujen korkeat pitoisuudet vaippakiviin, koska niitä on äärimmäisen vähän. Onneksi valtameren keskiselänteillä esiintyy luonnollinen ilmiö, jonka aikana vulkaaninen laava siirtää joitakin silikaatteja vaipasta pinnalle. Pienet määrät vaippamineraaleihin sitoutuneita kaasuja nousevat sulan mukana pintaan ja keskittyvät pieniin rakkuloihin laavakivien ulommassa lasimaisessa reunassa. Tämän prosessin tarkoituksena on keskittää vaipan kaasujen määrät 104- tai 105-kertaisiksi. Keräämällä näitä kiviä ruoppaamalla meriuomaan ja murskaamalla ne sitten tyhjiössä herkässä massaspektrometrissä geokemistit voivat määrittää vaipan isotooppien suhteet. Tulokset ovat varsin yllättäviä. Suhteista tehdyt laskelmat osoittavat, että 80-85 prosenttia ilmakehästä kaasuuntui Maapallon ensimmäisen miljoonan vuoden aikana; loput vapautui hitaasti mutta jatkuvasti seuraavien 4,4 miljardin vuoden aikana.
Tämän alkukantaisen ilmakehän koostumusta hallitsi varmimmin hiilidioksidi, ja typpi oli toiseksi runsain kaasu. Myös metaania, ammoniakkia, rikkidioksidia ja suolahappoa esiintyi pieniä määriä, mutta happea ei ollut. Lukuun ottamatta runsaan veden esiintymistä ilmakehä muistutti Venuksen tai Marsin ilmakehää. Alkuperäisen ilmakehän kehittymisen yksityiskohdista kiistellään, erityisesti koska emme tiedä, kuinka voimakas aurinko oli tuolloin. Joitakin tosiasioita ei kuitenkaan kiistetä. On selvää, että hiilidioksidilla oli ratkaiseva merkitys. Lisäksi monet tutkijat uskovat, että kehittyvässä ilmakehässä oli riittävästi kaasuja, kuten ammoniakkia ja metaania, jotta orgaaninen aines saattoi syntyä.
Aurinkoon liittyvä ongelma on silti edelleen ratkaisematta. Erään hypoteesin mukaan arkeeisen eonin aikana, joka kesti noin 4,5 miljardista 2,5 miljardiin vuoteen 2,5 miljardia vuotta sitten, auringon teho oli vain 75 prosenttia nykyisestä. Tämä mahdollisuus herättää dilemman: miten elämä olisi voinut säilyä hengissä suhteellisen kylmässä ilmastossa, jonka pitäisi liittyä heikompaan aurinkoon? Carl Sagan ja George Mullen Cornellin yliopistosta tarjosivat Carl Saganin ja George Mullenin Cornellin yliopistosta vuonna 1970 ratkaisun haalean varhaisaurinkoparadoksiin, kuten sitä kutsutaan. Tutkijat ehdottivat, että metaania ja ammoniakkia, jotka sitovat hyvin tehokkaasti infrapunasäteilyä, oli melko runsaasti. Nämä kaasut olisivat voineet luoda superkasvihuoneilmiön. Ajatusta kritisoitiin sillä perusteella, että tällaiset kaasut olivat erittäin reaktiivisia ja niiden elinikä ilmakehässä oli lyhyt.
Mikä kontrolloi co:ta?
1970-luvun lopulla Veerabhadran Ramanathan, joka nykyisin työskentelee Scripps Institution of Oceanographiassa, sekä Robert D. Cess ja Tobias Owen Stony Brookin yliopistosta ehdottivat toista ratkaisua. He väittivät, että varhaisessa ilmakehässä ei tarvittu metaania, koska hiilidioksidia oli tarpeeksi runsaasti superkasvihuoneilmiön aikaansaamiseksi. Tämäkin väite herätti toisenlaisen kysymyksen: Kuinka paljon hiilidioksidia oli varhaisessa ilmakehässä? Maapallon hiilidioksidi on nyt hautautunut karbonaattikiviin, kuten kalkkikiveen, vaikka ei olekaan selvää, milloin hiilidioksidi on jäänyt sinne. Nykyään kalsiumkarbonaattia syntyy pääasiassa biologisen toiminnan aikana; arkeeisella eonilla hiili on saattanut poistua pääasiassa epäorgaanisten reaktioiden aikana.
Planeetan nopea kaasunpoisto vapautti vaipasta valtavia määriä vettä, mikä synnytti valtameret ja hydrologisen kierron. Todennäköisesti ilmakehässä esiintyneet hapot rapauttivat kiviä muodostaen karbonaattipitoisia kiviä. Tällaisen mekanismin suhteellisesta merkityksestä kiistellään kuitenkin. Heinrich D. Holland Harvardin yliopistosta uskoo, että hiilidioksidin määrä ilmakehässä väheni nopeasti arkeeisen kauden aikana ja pysyi matalalla tasolla.
Ensimmäisen ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden ymmärtäminen on keskeistä ilmaston hallinnan ymmärtämiseksi. Kaksi vastakkaista leiriä on esittänyt ajatuksia siitä, miten tämä prosessi toimii. Ensimmäinen ryhmä on sitä mieltä, että globaalia lämpötilaa ja hiilidioksidia ohjasivat epäorgaaniset geokemialliset takaisinkytkennät; toinen väittää, että niitä ohjasivat biologiset poistumat.
James C. G. Walker, James F. Kasting ja Paul B. Hays, jotka työskentelivät tuolloin Michiganin yliopistossa Ann Arborissa, ehdottivat epäorgaanista mallia vuonna 1981. He esittivät, että kaasun pitoisuudet olivat korkeat arkeeisen kauden alussa eivätkä laskeneet jyrkästi. Kolmikko esitti, että ilmaston lämmetessä vettä haihtui enemmän ja hydrologinen kierto voimistui, mikä lisäsi sademääriä ja valumia. Ilmakehän hiilidioksidi sekoittui sadeveteen ja synnytti hiilihappovettä, joka altisti pinnan mineraalit sään vaikutuksille. Silikaattimineraalit yhdistyivät ilmakehässä olleen hiilen kanssa ja sitoivat sen sedimenttikiviin. Vähemmän hiilidioksidia ilmakehässä merkitsi puolestaan kasvihuoneilmiön vähenemistä. Epäorgaaninen negatiivinen takaisinkytkentäprosessi kompensoi aurinkoenergian lisääntymisen.
Tämä ratkaisu on ristiriidassa toisen paradigman kanssa: biologinen poisto. Eräässä teoriassa, jonka esitti James E. Lovelock, Gaia-hypoteesin alullepanija, oletettiin, että fotosynteettiset mikro-organismit, kuten kasviplankton, olisivat hyvin tuottavia korkeassa hiilidioksidipitoisessa ympäristössä. Nämä eliöt poistivat hitaasti hiilidioksidia ilmasta ja meristä ja muuttivat sen kalsiumkarbonaattisedimenteiksi. Kriitikot vastasivat, että kasviplankton ei ollut edes kehittynyt suurimpaan osaan siitä ajasta, jolloin maapallolla on ollut elämää. (Gaia-hypoteesin mukaan elämä maapallolla kykenee säätelemään lämpötilaa ja maapallon pinnan koostumusta ja pitämään sen viihtyisänä eläville organismeille.)
1990-luvun alussa Tyler Volk New Yorkin yliopistosta ja David W. Schwartzman Howardin yliopistosta ehdottivat toista gaialaista ratkaisua. He totesivat, että bakteerit lisäävät maaperän hiilidioksidipitoisuutta hajottamalla orgaanista ainesta ja tuottamalla humushappoja. Molemmat toiminnot kiihdyttävät säätä ja poistavat hiilidioksidia ilmakehästä. Tässä kohdassa kiista kuitenkin kärjistyy. Jotkut geokemistit, kuten Kasting, joka työskentelee nykyään Pennsylvanian valtionyliopistossa, ja Holland, väittävät, että vaikka elämä voi selittää osan hiilidioksidin poistumisesta arkeeisen kauden jälkeen, epäorgaaniset geokemialliset prosessit voivat selittää suurimman osan hiilidioksidin sitomisesta. Nämä tutkijat pitävät elämää melko heikkona ilmastoa vakauttavana mekanismina suurimman osan geologisesta ajasta.
Happea levistä
HIILIPÄÄSTÖKYSYMYKSET ovat edelleen kriittisiä sen suhteen, miten elämä vaikutti ilmakehään. Hiilen hautautuminen on avain elintärkeään prosessiin, jossa ilmakehän happipitoisuudet kasvavat – mikä on edellytys tiettyjen elämänmuotojen kehittymiselle. Lisäksi maapallon lämpeneminen johtuu nyt siitä, että ihminen vapauttaa tätä hiiltä. Miljardin tai kahden miljardin vuoden ajan valtamerten levät tuottivat happea. Mutta koska tämä kaasu on erittäin reaktiivinen ja koska muinaisissa valtamerissä oli paljon pelkistyneitä mineraaleja – esimerkiksi rauta hapettuu helposti – suuri osa elävien olentojen tuottamasta hapesta yksinkertaisesti kului loppuun ennen kuin se pääsi ilmakehään, jossa se olisi kohdannut kaasuja, jotka olisivat reagoineet sen kanssa.
Vaikka evoluutioprosessit olisivatkin synnyttäneet monimutkaisempia elämänmuotoja tämän anaerobisen aikakauden aikana, niillä ei olisi ollut happea. Lisäksi suojaamaton ultraviolettiauringonvalo olisi todennäköisesti tappanut ne, jos ne olisivat poistuneet merestä. Walkerin ja Preston Cloudin kaltaiset tutkijat, jotka työskentelivät tuolloin Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa, ovat esittäneet, että vasta noin kaksi miljardia vuotta sitten, sen jälkeen kun suurin osa meren pelkistyneistä mineraaleista oli hapettunut, ilmakehään kertyi happea. Miljardin ja kahden miljardin vuoden välillä happi saavutti nykyiset tasot, mikä loi kapeikon kehittyvälle elämälle.
Tutkailemalla tiettyjen mineraalien, kuten rautaoksidin tai uraanioksidin, stabiilisuutta Holland on osoittanut, että arkeeisen ajan ilmakehän happipitoisuus oli alhainen ennen kahta miljardia vuotta sitten. On pitkälti sovittu, että nykyinen 20 prosentin happipitoisuus on seurausta fotosynteettisestä toiminnasta. Kysymys on silti siitä, lisääntyikö ilmakehän happipitoisuus vähitellen ajan kuluessa vai äkillisesti. Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että hapen lisääntyminen alkoi äkillisesti 2,1-2,03 miljardia vuotta sitten ja että nykytilanne saavutettiin 1,5 miljardia vuotta sitten.
Hapen läsnäololla ilmakehässä oli toinenkin merkittävä etu organismeille, jotka yrittivät elää pinnalla tai sen yläpuolella: se suojasi ultraviolettisäteilyä. Ultraviolettisäteily hajottaa monia molekyylejä – DNA:sta ja hapesta kloorihiilivetyihin, jotka ovat osallisena stratosfäärin otsonikatoon. Tällainen energia hajottaa hapen erittäin epävakaaseen atomimuotoon O, joka voi yhdistyä takaisin O2:ksi ja hyvin erityiseksi molekyyliksi O3:ksi eli otsoniksi. Otsoni puolestaan absorboi ultraviolettisäteilyä. Vasta kun happea oli ilmakehässä niin paljon, että otsonin muodostuminen oli mahdollista, elämällä oli edes mahdollisuus saada juurtumista tai jalansijaa maalla. Ei ole sattumaa, että elämän nopea evoluutio prokaryooteista (yksisoluiset organismit, joilla ei ole tumia) eukaryooteihin (yksisoluiset organismit, joilla on tuma) ja metazooihin (monisoluiset organismit) tapahtui miljardeja vuosia kestäneellä hapen ja otsonin aikakaudella.
Vaikka ilmakehässä saavutettiin tuona aikana melko vakaa happipitoisuus, ilmasto tuskin oli yhtenäinen. Nykyaikaiseen geologiseen aikaan siirryttäessä oli pitkiä suhteellisen lämpimän tai viileän vaiheita. Meren rannan läheisyydessä eläneiden fossiilisten planktonkuorien koostumus antaa osviittaa pohjaveden lämpötilasta. Tiedot viittaavat siihen, että viimeisten 100 miljoonan vuoden aikana pohjavesi viileni lähes 15 celsiusastetta. Merenpinta laski satoja metrejä, ja mantereet ajautuivat erilleen. Sisämeret enimmäkseen katosivat, ja ilmasto viileni keskimäärin 10-15 celsiusastetta. Noin 20 miljoonaa vuotta sitten Etelämantereelle näyttää kerääntyneen pysyvää jäätä.
Noin kaksi-kolme miljoonaa vuotta sitten paleoklimatiedoissa alkaa näkyä lämpimien ja kylmien kausien huomattavia laajenemisia ja supistumisia noin 40 000 vuoden sykleissä. Tämä jaksotus on mielenkiintoinen, koska se vastaa aikaa, joka maapallolta kuluu sen pyörimisakselin kallistuksen vaihteluun. Pitkään on arveltu ja hiljattain laskettu, että tunnetut muutokset kiertoradan geometriassa voisivat muuttaa talven ja kesän välillä tulevan auringonvalon määrää noin 10 prosentilla ja olla vastuussa jääkausien alkamisesta tai päättymisestä.
Ihmisen lämmin käsi
Vaikeinta ja hämmentävintä on havainto siitä, että 600 000-800 000 vuotta sitten vallitseva sykli vaihtui 40 000 vuoden jaksoista 100 000 vuoden jaksoihin, joissa on hyvin suuria vaihteluita. Viimeinen suuri jäätiköitymisvaihe päättyi noin 10 000 vuotta sitten. Suurimmillaan 20 000 vuotta sitten noin kahden kilometrin paksuiset jäätiköt peittivät suuren osan Pohjois-Euroopasta ja Pohjois-Amerikasta. Jäätiköt laajenivat ylätasangoilla ja vuorilla kaikkialla maailmassa. Jäätä kertyi maalle niin paljon, että merenpinta laski yli 100 metriä nykyistä alemmaksi. Massiiviset jääpeitteet pyyhkäisivät maata ja uudistivat maapallon ekologista ilmettä, joka oli keskimäärin ve astetta viileämpi kuin nykyään.
Lämpimien ja kylmien kausien välisten pidempien jaksojen täsmällisiä syitä ei ole vielä selvitetty. Tulivuorenpurkauksilla on saattanut olla merkittävä rooli, kuten El Chichónin vaikutus Meksikossa ja Pinatubo-vuoren vaikutus Filippiineillä osoittavat. Tektoniset tapahtumat, kuten Himalajan kehittyminen, ovat saattaneet vaikuttaa maailman ilmastoon. Jopa komeettojen vaikutus voi vaikuttaa lyhytaikaisiin ilmastotrendeihin, joilla on katastrofaalisia seurauksia elämälle. On hämmästyttävää, että väkivaltaisista, ajoittaisista häiriöistä huolimatta ilmasto on puskuroitunut niin hyvin, että se on voinut ylläpitää elämää 3,5 miljardin vuoden ajan.
Yksi viimeisten 30 vuoden keskeisimmistä ilmastolöydöksistä on saatu Grönlannin ja Etelämantereen jäänäytteistä. Kun näille jäätyneille mantereille sataa lunta, lumirakeiden väliin jää ilmaa kuplien muodossa. Lumi tiivistyy vähitellen jääksi ja siihen sitoutuneet kaasut. Jotkut näistä tallenteista voivat ulottua yli 500 000 vuoden taakse; tutkijat voivat analysoida jään ja kuplien kemiallista sisältöä jopa 3600 metrin syvyydessä pinnan alla olevista jääpaloista.
Jääydinporaajat ovat todenneet, että muinaisten egyptiläisten ja anasazi-intiaanien hengittämät ilmat olivat hyvin samankaltaisia kuin ne, joita hengitämme nykyäänkin – lukuun ottamatta lukuisia viimeisten sadan tai kahdensadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan sadan vuoden aikana. Tärkeimpiä näistä lisätyistä kaasuista tai epäpuhtauksista ovat ylimääräinen hiilidioksidi ja metaani. Noin vuodesta 1860 – teollisen vallankumouksen laajenemisesta – lähtien ilmakehän hiilidioksidipitoisuudet ovat nousseet yli 30 prosenttia teollistumisen ja metsäkadon seurauksena; metaanipitoisuudet ovat yli kaksinkertaistuneet maatalouden, maankäytön ja energiantuotannon vuoksi. Näiden kaasujen lisääntyneiden määrien kyky sitoa lämpöä on se, mikä aiheuttaa huolta ilmastonmuutoksesta 2000-luvulla.
Jääsydämet ovat osoittaneet, että maailmanlaajuisen lämpötilan pysyvät luonnolliset muutosnopeudet ovat tyypillisesti noin yksi aste celsiusastetta vuosituhannessa. Nämä muutokset ovat silti riittävän merkittäviä muuttamaan radikaalisti lajien elinympäristöjä ja mahdollisesti vaikuttamaan sellaisten karismaattisten megafaunaeläinten kuin mammuttien ja sapelihammastiikereiden sukupuuttoon kuolemiseen. Jäänäytteiden erikoisin tarina ei kuitenkaan ole ilmaston suhteellinen vakaus viimeisten 10 000 vuoden aikana. Näyttää siltä, että viimeisen jääkauden huipulla 20 000 vuotta sitten ilmassa oli 50 prosenttia vähemmän hiilidioksidia ja alle puolet vähemmän metaania kuin meidän aikakautemme, holoseenin, aikana. Tämä havainto viittaa positiiviseen takaisinkytkentään hiilidioksidin, metaanin ja ilmastonmuutoksen välillä.
Ajattelu, joka tukee ajatusta tästä tasapainoa horjuttavasta takaisinkytkentäjärjestelmästä, menee seuraavasti. Kun maailma oli kylmempi, kasvihuonekaasujen pitoisuudet olivat pienemmät, joten lämpöä pidättyi vähemmän. Kun maapallo lämpeni, hiilidioksidi- ja metaanipitoisuudet kasvoivat, mikä kiihdytti lämpenemistä. Jos elämällä on ollut osuutensa tässä tarinassa, sen on täytynyt pikemminkin edistää kuin vastustaa ilmastonmuutosta. Näyttää yhä todennäköisemmältä, että kun ihmisistä tuli osa tätä kiertokulkua, hekin auttoivat kiihdyttämään lämpenemistä. Lämpeneminen on ollut erityisen voimakasta 1800-luvun puolivälin jälkeen teollistumisen, maankäytön muutoksen ja muiden ilmiöiden aiheuttamien kasvihuonekaasupäästöjen vuoksi. Jälleen kerran epävarmuustekijät ovat kuitenkin edelleen olemassa.
Kuitenkin useimmat tiedemiehet ovat yhtä mieltä siitä, että elämä voi hyvinkin olla tärkein tekijä ilmastonmuutoksen ja kasvihuonekaasujen välisessä positiivisessa palautteessa. Maapallon keskimääräinen pintalämpötila nousi nopeasti 1900-luvun lopulla . Itse asiassa ajanjakso 1980-luvulta lähtien on ollut viimeisten 2000 vuoden lämpimin. Mitatuista 20 lämpimimmästä vuodesta 19 on tapahtunut vuoden 1980 jälkeen, ja 12 lämpimintä vuotta ovat kaikki tapahtuneet vuoden 1990 jälkeen. Kaikkien aikojen ennätyslämmin vuosi oli 1998, ja vuodet 2002 ja 2003 sijoittuivat toiselle ja kolmannelle sijalle. On hyvä syy uskoa, että 1990-luvun vuosikymmen olisi ollut vielä lämpimämpi, jos Pinatubo-vuori ei olisi purkautunut: tämä tulivuori levitti korkeaan ilmakehään tarpeeksi pölyä estääkseen osan osuvasta auringonvalosta, mikä aiheutti maailmanlaajuisen viilenemisen muutamalla asteen kymmenyksellä useiden vuosien ajan.
Voisiko viimeisten 140 vuoden aikana tapahtunut lämpeneminen olla tapahtunut luonnollisesti? Vastaus on yhä varmemmin ei.
Oikealla olevassa laatikossa näkyy merkittävä tutkimus, jossa yritettiin siirtää pohjoisen pallonpuoliskon lämpötilaennätystä taaksepäin täydet 1 000 vuotta. Ilmastotutkija Michael Mann Virginian yliopistosta ja hänen kollegansa tekivät monimutkaisen tilastollisen analyysin, johon sisältyi noin 112 erilaista lämpötilaan liittyvää tekijää, kuten puiden vuosirenkaat, vuoristojäätiköiden laajuus, koralliriuttojen muutokset, auringonpilkkujen aktiivisuus ja tulivuoritoiminta.
Tuloksena syntynyt lämpötilapöytäkirja on rekonstruktio siitä, mitä olisi voitu saada, jos lämpömittareihin perustuvia mittauksia olisi ollut käytettävissä. (Todellisia lämpötilamittauksia on käytetty vuoden 1860 jälkeisten vuosien osalta.) Kuten luottamusväli osoittaa, tämän 1 000 vuoden lämpötilarekonstruktion jokaiseen vuoteen liittyy huomattavaa epävarmuutta. Yleinen suuntaus on kuitenkin selvä: lämpötila laski asteittain ensimmäisten 900 vuoden aikana, minkä jälkeen lämpötila nousi jyrkästi 1900-luvulla. Tämä kuvaaja viittaa siihen, että 1990-luvun vuosikymmen ei ollut ainoastaan vuosisadan vaan koko viime vuosituhannen lämpimin.
Tutkimalla siirtymistä arkeeisen kauden ilmakehästä, jossa oli paljon hiilidioksidia ja vähän happea, evoluution suuren edistyksen aikakauteen noin puoli miljardia vuotta sitten, käy selväksi, että elämä on saattanut olla tekijä ilmaston vakauttamisessa. Toisessa esimerkissä – jääkausien ja jääkausien välisten jaksojen aikana – elämä näyttää toimineen päinvastoin: se pikemminkin kiihdytti muutosta kuin vähensi sitä. Tämä havainto on saanut yhden meistä (Schneider) väittämään, että ilmasto ja elämä ovat kehittyneet yhdessä sen sijaan, että elämä olisi toiminut pelkästään negatiivisena palautteena ilmastolle.
Jos me ihmiset pidämme itseämme osana elämää – toisin sanoen osana luonnollista järjestelmää – voidaan väittää, että kollektiivinen vaikutuksemme maapallolla tarkoittaa, että meillä voi olla merkittävä yhteisevoluutioon vaikuttava rooli planeetan tulevaisuuden kannalta. Väestönkasvun nykyiset suuntaukset, vaatimukset elintason nostamisesta sekä teknologian ja organisaatioiden käyttö näiden kasvuun tähtäävien tavoitteiden saavuttamiseksi edistävät kaikki osaltaan saastumista. Kun saastuttamisen hinta on alhainen ja ilmakehää käytetään ilmaisena viemärinä, hiilidioksidia, metaania, kloorihiilivetyjä, typen oksideja, rikin oksideja ja muita myrkkyjä voi kertyä.
Edessä on rajuja muutoksia
HALLITUSVÄLISEN ILMASTOPANEELIN Paneelin ilmastoasiantuntijat arvioivat vuoden 2001 Ilmastonmuutos-selonteossaan, että maapallon lämpeneminen vuoteen 2100 mennessä vaihtelee välillä 1,4-5,8 celsiusastetta. Tämän vaihteluvälin lievä pää – 1,4 celsiusastetta sadassa vuodessa – on silti 14 kertaa nopeampi kuin yksi celsiusaste tuhannessa vuodessa, joka on historiallisesti ollut luonnollisen muutoksen keskinopeus globaalissa mittakaavassa. Jos vaihteluvälin korkeampi pää toteutuisi, ilmaston muutosvauhti voisi olla lähes 60 kertaa nopeampi kuin luonnolliset keskimääräiset olosuhteet, mikä voisi johtaa muutoksiin, joita monet pitäisivät vaarallisina. Tällainen muutosvauhti pakottaisi lähes varmasti monet lajit siirtämään levinneisyysalueitaan, aivan kuten ne tekivät jääkauden ja jääkauden välisen siirtymän aikana 10 000-15 000 vuotta sitten. Sen lisäksi, että lajien olisi reagoitava ilmastonmuutokseen 14-60 kertaa nopeammin, vain harvoilla lajeilla olisi häiriöttömiä ja avoimia vaellusreittejä, kuten jääkauden lopussa ja jääkausien välisen kauden alkaessa. Merkittävän lämpenemisen kielteiset vaikutukset – muun muassa terveyteen, maatalouteen, rannikkoalueiden maantieteeseen ja kulttuuriperintökohteisiin – voisivat myös olla vakavia.
Jotta voisimme tehdä kriittisiä ennusteita tulevasta ilmastonmuutoksesta, joita tarvitaan maapallon ekosysteemien kohtalon ymmärtämiseksi, meidän on kaivettava maata, merta ja jäätä saadaksemme mahdollisimman paljon tietoa geologisista, paleoklimaattisista ja paleoekologisista tallenteista. Nämä tallenteet tarjoavat taustan, jota vasten voimme kalibroida karkeat välineet, joita meidän on käytettävä kurkistellaksemme hämärään ympäristöön liittyvään tulevaisuuteen, joka on yhä enemmän meidän vaikutuksellamme.
AUTORIT
CLAUDE J. ALLGRE ja STEPHEN H. SCHNEIDER tutkivat maapallon geologisen historian ja ilmaston eri näkökohtia. Allgre on Pariisin yliopiston professori ja johtaa Pariisin geofysikaalisen instituutin geokemian osastoa. Hän on kansallisen tiedeakatemian ulkomainen jäsen. Schneider on Stanfordin yliopiston biologisten tieteiden laitoksen professori ja ympäristötieteiden ja -politiikan keskuksen toinen johtaja. Hänelle myönnettiin MacArthur-palkinto vuonna 1992 ja hänet valittiin Kansallisen tiedeakatemian jäseneksi vuonna 2002.