Twoja wyszukiwarka

MARCIN RYSZKIEWICZ
ZIEMIA I ŻYCIE - KRONIKA
Wiedza i Życie nr 12/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 12/2001

Jedno doniesienie naukowe jest jak kamyk na górskim stoku. Sam nie znaczy wiele, ale może wywołać lawinę, która zmieni góry. Poprosiliśmy Marcina Ryszkiewicza, żeby opisał stopień zagrożenia lawinowego w naukach o Ziemi w ostatnim półroczu.

Pod koniec proterozoiku (800-600 mln lat temu) Ziemia dostała się w okowy Wielkiego Lodu, który skuł kontynenty i grubą warstwą pokrył oceany. Pokrywa lodowa utrzymywała się dziesiątki milionów lat, po czym gwałtownie topniała, a ziemska zamrażarka zmieniała się w rozpalony piec. Wszystkie dane wskazują na to, że scenariusz ten powtarzał się kilkakrotnie. Jakie były przyczyny tych wahań temperatury? Jak znosiło je "początkujące" ziemskie życie? Pojawiają się różne spekulacje. Jedna z nich mówi, że życie przetrwało trudne czasy w schronieniach (ostojach) w pobliżu wypływów gorących wód na dnie oceanów, a nagły koniec "kuli śniegowej" i początek Wielkich Upałów powodowany był gromadzeniem się przez miliony lat CO2) w atmosferze, gdyż skuta lodem woda morska nie potrafiła wchłonąć jego nadmiaru (model superszklarni).

Ziemska kula śniegowa

Ostatnio pojawiły się nowe koncepcje dotyczące tych zdarzeń, pochodzące z dwóch rozbieżnych źródeł. Z jednej strony [patrz: Świat Nauki, październik 2001; Nature, 15 marca 2001] analiza trwałych izotopów węgla (rysunek z prawej) pokazuje, że gwałtowne ocieplenie mogliśmy zawdzięczać uwolnieniu ogromnych ilości metanu uwięzionego dotąd w tzw. klatratach. Metan powstaje w wyniku działania bakterii beztlenowych i pozostaje - pod olbrzymim ciśnieniem - ukryty w potężnych bąblach w mulistych osadach na dnie oceanów lub w kryształach lodu w rejonach arktycznych. Z drugiej, badania porównawcze genomów współczesnych roślin, zwierząt i grzybów sugerują [patrz: Science, wrzesień 2001], że pojawienie się pierwszych roślin (i porostów) lądowych nastąpiło o kilkaset milionów lat wcześniej, niż sądzono (w górnym proterozoiku, 700 a nie 480 mln lat temu). Mogło to znacznie przyspieszyć wietrzenie skał powierzchniowych: zawarty w nich wapń wchodził łatwo w reakcję z dwutlenkiem węgla, tworząc węglan wapnia, a tym samym rugując ten cieplarniany gaz z atmosfery i powodując globalny spadek temperatury.

Trop metanowy może być kluczem do rozwiązania innych zagadek z przeszłości (i przyszłości!) Ziemi - klatraty i dziś stanowią potencjalnie największe zagrożenie dla naszego klimatu: uwięziony w nich metan pozostaje na dnie oceanu pod wpływem ciśnienia wody, a na obszarach arktycznych jest stabilny dzięki istnieniu wiecznej marzłoci. Jeśli ta równowaga zostanie naruszona, ogromne bąble metanu wypuszczone do atmosfery mogą wywołać efekt domina: więcej metanu wzmocni efekt szklarni, a wyższa temperatura spowoduje roztopienie wiecznej zmarzliny, a więc do atmosfery dostanie się jeszcze więcej metanu...

Przed wielkim wybuchem - prekambr

Wróćmy w odległą przeszłość. Jeśli prawdą jest, iż rośliny na lądach pojawiły się wcześniej, niż sądzono (i że wywołało to ogólnoplanetarne zlodowacenie), to coraz więcej zdaje się wskazywać, że również zwierzęta mogły zadebiutować na Ziemi na długo przed tzw. rewolucją kambryjską, czyli nagłym wybuchem ewolucyjnej kreatywności przed około 540 mln lat. (Z tych czasów datują się kopalne szczątki wszystkich obecnych do dziś typów królestwa Animalia.) We wrześniowym numerze Science [5529] Richard Fortey z londyńskiego Muzeum Historii Naturalnej poinformował o odkryciu małego, podobnego do małżoraczków skorupiaka we wczesnokambryjskich osadach Shropshire w Anglii. Skamieniałość ma zaledwie kilka milimetrów długości, ale została fantastycznie zachowana (widoczne są wszystkie delikatne odnóża i czułki). Rzuca ona światło na najwcześniejsze etapy ewolucji zwierząt tkankowych. Uważano dotąd, że w początkach kambru wszystkie ich typy powstały niemal równocześnie i odtąd, aż do dziś, nie powstał już żaden nowy, a wiele wymarło. Może to być jednak po części złudzenie: zwierzęta powstały znacznie wcześniej, tylko - z braku pancerzy - nie miały szans zachować się w stanie kopalnym. Z czasów prekambryjskich znano dotąd jedynie osobliwe bezszkieletowe formy tzw. fauny ediakarańskiej - tak dziwne, że przyrównywane niekiedy do "Marsjan na Ziemi". Nowe odkrycie świadczy o tym, że jeśli tak złożone formy jak skorupiaki żyły już we wczesnym kambrze (a nie, jak dotąd sądzono, dopiero od końca tego okresu), to musiały mieć przodków już wcześniej, w prekambrze. A pamiętajmy, że skorupiaki są tylko częścią stawonogów, które miały wcześniejszego przodka, a wspólny przodek wszystkich zwierząt łączonych ostatnio w grupę Ecdysozoa (liniejące, czyli zrzucające pancerze podczas wzrostu) musiał żyć jeszcze dawniej.

Czy zwierzęta te powstały dopiero po odtajaniu ziemskiej kuli śniegowej (tak jak formy z Ediacara) czy wcześniej (ale gdzie znalazły ostoje do przetrwania milionów lat największych mrozów?) trudno orzec, ale wydaje się niemal pewne, że nasz świat istniał już obok świata ediakarańskiego, a rewolucja kambryjska była raczej zagładą jednego z dwóch współistniejących światów niż zastąpieniem jednego przez drugi.

Liście w odpowiedzi

Pierwsze rośliny lądowe mogły powstać wcześniej, niż przypuszczano, ale z pewnością przez długi czas były to formy proste i małe - brak (makro) skamieniałości wyklucza obecność prawdziwej "szaty roślinnej" przed okresem dewońskim. Również później, po powstaniu roślin naczyniowych, przez miliony lat brakowało form obdarzonych tym, co dla dzisiejszych roślin wydaje się oczywiste - liśćmi (megafilami - czyli zrośniętymi, spłaszczonymi i połączonymi cienką blaszką liściową pędami).

Zawartość dwutlenku węgla w atmosferze i temperatura na powierzchni Ziemi szły w parze w ciągu ostatnich 600 mln lat

Te wyspecjalizowane struktury do pobierania CO2) z atmosfery i prowadzenia fotosyntezy powstały zaskakująco późno - co najmniej 40 mln lat po narodzinach pierwszych roślin naczyniowych, ale za to niemal jednocześnie i niezależnie u wielu grup roślin lądowych. Czemu tak późno pojawiło się coś, czego użyteczność jest tak oczywista? Nowa hipoteza na ten temat [patrz: Science week Express, 30 marca 2001] łączy powstanie liści ze zmianami składu atmosfery w ciągu okresu dewońskiego byłyby one odpowiedzią roślin na dramatyczne obniżenie się stężenia dwutlenku węgla pod koniec dewonu i koniecznością poprawienia adsorpcji tego gazu. Powstanie liści z aparatami szparkowymi do pobierania (i wydzielania) gazów okazało się odpowiedzią udaną, którą rośliny do dziś skutecznie wykorzystują.

Aparaty szparkowe wykorzystują też uczeni niedawno [patrz: G. Retallack, Nature nr 411/2001] ukazała się praca, która w pomysłowy sposób odtwarza skład dawnej atmosfery poprzez analizę zachowanych w materiale kopalnym szparek. Ich rozkład, a zwłaszcza gęstość "upakowania", jest prostą funkcją zawartości tlenu i dwutlenku węgla w powietrzu - im mniej tych gazów, tym więcej szparek, które muszą w tych warunkach wydajniej pracować. Retallack w swych badaniach wykorzystał istniejące do dziś "żyjące skamieniałości" roślinne - miłorzęby, hodowane w szklarniach w atmosferze o zmiennej zawartości dwutlenku węgla: gęstość ich szparek można więc było jednoznacznie skojarzyć ze zmianami składu gazów w powietrzu. Analizując liście kopalne z ostatnich 300 mln lat, Retallack stwierdził, że "[stężenie] CO2) i klimat wykazywały jednoznaczny związek co najmniej od czasów dinozaurów" - okresom ciepłym odpowiadała bogatsza w CO2) atmosfera i odwrotnie. Okazało się na przykład, że gęstość szparek osiągnęła rekordowy poziom podczas plejstoceńskich zlodowaceń, kiedy to stężenie dwutlenku węgla było wyjątkowo niskie; w kredzie - gdy tego gazu było szczególnie dużo (a klimat był wyjątkowo ciepły) gęstość szparek była na bardzo niskim poziomie. Krzywa Retallacka wykazuje też ciekawą korelację z pięcioma największymi wymieraniami w dziejach. Tym krótkim okresom hekatomby życia (gdy atmosfera była gęsta od CO2) z rozkładających się i utlenianych ciał) odpowiadają też gwałtowne załamania gęstości szparek - co zgadza się z zaproponowanym modelem. "Klimat i CO2) idą idealnie w parze" - stwierdza Retallack, i dodaje: "Przemyślcie to jeszcze raz panowie od klimatu - to dwutlenek węgla jest rozgrywającym".

Syty ocean, syta ziemia

Miniaturowe ekosystemy wokół "czarnych kominów". Podstawę piramidy stanowią bakterie siarkowe

Nie tylko atmosfera podlegała w przeszłości burzliwej ewolucji. Podobnie burzliwe były losy oceanów - i również im poświęca się ostatnio coraz więcej uwagi. Analiza zawartości fosforu, pochodzącego z resztek organicznych, w osadach (paleo) Atlantyku i Pacyfiku wykonana przez geologów z University of Michigan, C. Her-moyiana i R. Owena [patrz: "Ancient oceans...", University of Michigan News Release, 31 maja 2001] wykazała niezbicie, że od sześciu do czterech milionów lat temu Ziemia przeżywała bardzo tłuste lata. Życia (liczonego na kilogramy, ponieważ zawartość fosforu w osadach pozwala oszacować biomasę żyjących organizmów) było dużo więcej niż zwykle. Dlaczego?

Autorzy wiążą to zjawisko z wyniesieniem masywów Himalajów i Andów. Wypiętrzenie tak dużych obszarów oznacza zwiększoną erozję i spłukiwanie do oceanów związków mineralnych uwięzionych wcześniej w skałach przez miliony lat. Można to porównać do nawożenia zapuszczonego ogródka. Zapewne coś podobnego zdarzyło się pod koniec miocenu - jest to jeden z licznych i wymownych przykładów głębokich związków między budową Ziemi a historią życia. Planeta bez aktywnych ruchów skorupy, bez wulkanizmu i ruchów górotwórczych nie może być długo źródłem bogatego życia. Jej powierzchnia ulega z czasem wyjałowieniu i jeśli brak aktywnej tektoniki, nie ulega odnowieniu.

Czarne kominy ryftowe

Ale ocean można użyźniać w różny sposób. Odkryte ostatnio "zaginione miasto" na dnie Atlantyku [patrz: D. S. Kelley, Nature nr 412] to przykład, że nasza planeta zasilana jest również od spodu. Las kamiennych kolumn powstał przez wytrącanie się siarczków żelaza i innych metali wokół wypływających z morskiego dna gorących źródeł. Znajduje się on 15 km od wielkiej szczeliny ryftowej, przecinającej ten ocean (i wszystkie inne) na całej jego długości. Czarne dymiące kominy znane są od dawna, ale jak dotąd odnajdywano je tylko w sąsiedztwie szczelin ryftowych - otwartych ran skorupy ziemskiej, z których bez przerwy wydobywają się masy roztopionych bazaltów nieustannie dobudowujących nową skorupę oceaniczną (i przy okazji użyźniających oceany). Tym razem jednak to wielkie pole kominów znaleziono poza ryftem, na starej skorupie liczącej sobie 1,5 mln lat. Temperatura i skład gorących płynów tryskających na tym polu kominów przypominają warunki panujące na wczesnej Ziemi. Stąd też bogate zespoły bakteryjne, które odnaleziono, mogą rzucać światło na początki życia na naszej planecie (już wcześniej opisywane "oazy ryftowe" ze śródoceanicznych kominów dały podstawy do twierdzenia, że to właśnie wypływy gorących wód na dnie oceanów mogły być kolebką, gdzie życie powstało i gdzie mogło chronić się - przenośnie mówiąc - w czasach bombardowania Ziemi przez wielkie meteoryty). Obecne odkrycie pokazuje, że liczba takich czynnych kominów może być znacznie większa, niż dotąd sądzono, a więc i rola tych osobliwych siedlisk biosfery - jeszcze bardziej znacząca.

MARCIN RYSZKIEWICZ zajmuje się ewolucją i geologią w Muzeum Ziemi Polskiej Akademii Nauk.