Przed lodowcem. Świat bez lodu

Stara ziemia już przez to przechodziła.

Nie była to wprawdzie dokładnie ta sama planetarna gorączka. Poprzednim razem, 56 mln lat temu, świat był inny. Ocean Atlantycki jeszcze się w pełni nie utworzył i zwierzęta, być może łącznie z naszymi przodkami z rzędu naczelnych, mogły przechodzić z Azji przez Europę i Grenlandię do Ameryki Północnej, nie trafiając przy tym na skrawek lodu. Nawet przed wydarzeniami, o których tu opowiadamy, Ziemia była znacznie cieplejsza niż dzisiaj. Lecz kiedy paleocen przeszedł w eocen, miało się jeszcze ocieplić – szybko i radykalnie.
Przyczyną było potężne i gwałtowne – w kategoriach geologicznych – uwolnienie węgla. Nie jest pewne, ile pierwiastka trafiło do atmosfery w czasie paleoceńsko-eoceńskiego maksimum termicznego (PETM), jak naukowcy nazywają obecnie ten wzrost temperatury. Szacuje się jednak, że było to mniej więcej tyle, ile dostałoby się tam dziś, gdyby ludzie spalili całe ziemskie zasoby węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego. PETM trwało ponad 150 tys. lat, do czasu gdy nadmiar węgla został ponownie wchłonięty. Przyniosło susze, powodzie, plagi owadów i doprowadziło do wyginięcia pewnej liczby gatunków. Życie na Ziemi przetrwało (prawdę mówiąc, nawet rozkwitło), ale zdecydowanie się zmieniło. Dziś ewolucyjne konsekwencje tego dawnego wzrostu poziomu węgla otaczają nas ze wszystkich stron. Teraz my sami powtarzamy ten eksperyment.
PETM jest modelem tego, co obserwujemy – modelem tego, co robimy, igrając z atmosferą, mówi Philip Gingerich, paleontolog zajmujący się kręgowcami na Uniwersytecie Michigan.
Paleontolodzy odkryli gruntowną ewolucyjną przemianę pod koniec paleocenu na długo przed powiązaniem jej przyczyn z węglem. Gingerich już od 40 lat tropi skamieniałości z tego okresu w niecce Bighorn – jałowej równinie długości 160 km położonej na wschód od Yellowstone, w północnej części stanu Wyoming. Kopie głównie w zboczach długiego, wąskiego płaskowyżu o nazwie Polecat Bench (Ławka Tchórza), który wcina się w północny brzeg równiny.
Pewnego letniego popołudnia pojechaliśmy jego błękitnym wozem terenowym po gruntowej drodze na południowy czubek Polecat, skąd roztacza się piękny widok na nawadniane pola oraz rozrzucone tu i ówdzie szyby naftowe. Gingerich wyjaśnił mi, że podczas ostatnich epok lodowcowych Polecat Bench stanowiła dno rzeki Shoshone, która usiała ją otoczakami. W którymś momencie rzeka przeniosła się na wschód i zaczęła wymywać sobie drogę przez starsze osady wypełniające nieckę Bighorn. Przez tysiąclecia jej zbocza rzeźbiły wiatr i woda z letnich ulew, odsłaniając na jałowych stokach kolejne warstwy osadów. Osady z okresu PETM ujawniły się na południowym czubku płaskowyżu.

To właśnie tutaj Gingerich udokumentował nagły wielki przyrost ssaków. W połowie stoku wstęga czerwonych osadów o grubości około 30 m wije się wokół grzbietów i żlebów. W tej właśnie wstędze Gingerich odkrył skamieniałości najstarszych ssaków nieparzystokopytnych, parzystokopytnych i prawdziwych naczelnych – innymi słowy, pierwszych członków rzędów, do których obecnie należą odpowiednio: konie, krowy i ludzie. Od tamtej pory podobne skamieniałości znaleziono w Azji i Europie. Wygląda na to, że 9 mln lat po tym, jak planetoida uderzyła w półwysep Jukatan, wywołując kataklizm, który zdaniem większości współczesnych naukowców doprowadził do wyginięcia dinozaurów, Ziemia przeszła kolejny wstrząs.
W ciągu pierwszych 20 lat, podczas których Gingerich mozolnie dokumentował paleoceńsko-eoceńską przemianę, znaczna część uczonych uważała ją po prostu za okres, w którym jeden zestaw skamielin został zastąpiony przez drugi. Ten pogląd zaczął się zmieniać w roku 1991, kiedy oceanografowie James Kennett i Lowell Stott przeanalizowali izotopy węgla – różne formy atomów tego pierwiastka – w rdzeniu osadowym pobranym z dna antarktycznej części Oceanu Atlantyckiego. Na samej granicy paleocenu i eocenu drastyczna zmiana wzajemnego stosunku izotopów w skamieniałościach maleńkich organizmów zwanych otwornicami wskazywała, że w ciągu zaledwie kilkuset lat ocean zalały ogromne ilości „świeżego” węgla. Ten węgiel musiał się też dostać do atmosfery i tam, jako dwutlenek węgla, zatrzymywać słoneczne ciepło i ogrzewać planetę. Izotopy tlenu w otwornicach dowodziły, że ogrzał się cały ocean, od powierzchni aż po szlam na dnie, gdzie żyła większość tych stworzeń.
Na początku lat 90. XX w. te same oznaki planetarnego wstrząsu zaczęły pojawiać się na Polecat Bench. Dwaj młodzi naukowcy, Paul Koch i James Zachos, zebrali z każdej z warstw osadów centymetrowej wielkości grudki gleby obfitującej w węglany. Badacze znaleźli też zęby prymitywnego ssaka o nazwie Phenacodus . Kiedy Koch i Zachos przeanalizowali stosunki izotopów w glebie i szkliwie zębów, odkryli ten sam nagły wzrost poziomu węgla, co u otwornic. Stawało się jasne, że PETM stanowiło przypadek globalnego ocieplenia, który wpłynął nie tylko na mało znane organizmy morskie, ale także na duże zwierzęta lądowe. I naukowcy dostrzegli, że mogą wykorzystywać wzrost poziomu węgla – charakterystyczny znak globalnego uwalniania gazów cieplarnianych – do identyfikowania PETM w skałach na całym świecie.
Skąd pochodził cały ten węgiel? Wiemy, skąd się bierze nadmiar węgla, który trafia do atmosfery obecnie – to nasze dzieło. Ale 56 mln lat temu nie było ludzi, a tym bardziej samochodów i elektrowni. Hipotez dotyczących przyczyn ówczesnego wzrostu było wiele, a zważywszy na ilości węgla, jego źródeł mogło być kilka. Pod koniec paleocenu Europa i Grenlandia oddalały się od siebie, otwierając północny Atlantyk, co owocowało potężnymi erupcjami wulkanów. Mogły one wygotowywać dwutlenek węgla z organicznych osadów na dnie morza, choć zapewne nie na tyle szybko, by tłumaczyło to nagły skok izotopów. Złoża paleoceńskiego torfu mogły trawić gwałtowne pożary, aczkolwiek powstała w ich wyniku sadza nie ujawniła się w rdzeniach osadowych. Wielka planetoida, uderzająca w skały węglanowe też mogła uwolnić mnóstwo węgla, lecz do tej pory nie ma bezpośredniego dowodu takiego zderzenia.

Najstarsza i wciąż najbardziej popularna hipoteza głosi, że znaczna część tego węgla pochodziła z ogromnych złóż klatratu metanu, osobliwego, podobnego do lodu związku, który składa się z cząsteczek wody tworzących rodzaj klatki wokół pojedynczej cząsteczki metanu. Klatraty, zwane też wodzianami, są stabilne tylko w wąskim zakresie niskich temperatur i wysokich ciśnień. Wielkie pokłady tych substancji znajdują się dziś pod arktyczną tundrą oraz dnem morskim, na zboczach łączących szelfy kontynentalne z równinami abisalnymi. Podczas PETM początkowe ocieplenie – wywołane przez np. przez wulkany albo nieznaczne wahania orbity Ziemi, które dopuściły do tych złóż więcej słonecznego światła – mogło spowodować topnienie klatratów. A to pozwoliło cząsteczkom metanu wyślizgnąć się z klatek i unieść się w bąbelkach do atmosfery.

Ta hipoteza jest alarmująca. W przeliczeniu na cząsteczkę metan w atmosferze ogrzewa Ziemię ponad 20 razy bardziej niż dwutlenek węgla, a potem, po 10–20 latach, utlenia się do CO2 i nadal ogrzewa ją przez długi czas. Wielu naukowców uważa, że ocieplenie wywołane przez spalanie paliw kopalnych może doprowadzić do potężnego uwalniania metanu z głębin morza i zamarzniętej Północy.
Na podstawie swoich danych Koch i Zachos doszli do wniosku, że PETM wywołało w niecce średnioroczny wzrost temperatury o jakieś 5OC. To więcej niż ocieplenie, które nastąpiło tam od ostatniej epoki lodowcowej. To także nieco więcej, niż modele klimatyczne zapowiadają w XXI w. – ale mniej, niż prognozują one na nadchodzące stulecia, jeżeli ludzie nadal będą spalać paliwa kopalne. Modele te przewidują również poważne zaburzenia w światowym rozkładzie opadów, zwłaszcza w rejonach subtropikalnych. Ale jak zweryfikować te szacunki?
– Nie można czekać 100 lub 200 lat, żeby sprawdzić, co się stanie – mówi szwedzki geolog Birger Schmitz, który przez dziesięć lat badał skały PETM w hiszpańskich Pirenejach. – I właśnie dlatego historia PETM jest tak interesująca. Bo pokazuje, co stało się kiedyś.
W rejonie Bighorn doszło do całkowitej przemiany życia. Scott Wing, paleobotanik ze Smithsoniańskiego Narodowego Muzeum Historii Naturalnej, zbiera w Bighorn skamieniałe liście każdego lata – od 36 sezonów. – Szukałem złoża skamieniałości takiego jak to – powiedział. Siedzieliśmy na zboczu, 25 km na południe od autostrady nr 16, pomiędzy Ten Sleep i Worland, na zachód od gór Bighorn, waląc młotkami w skały z rowu wykopanego przez asystentów Winga. Na odległych stokach widać było poziome pasy czerwieni przetykane żółcią i szarością, które wskazują na to, że ta ziemia pochodzi z okresu PETM. W dole jakiś żuraw pompowy kołysał się tam i z powrotem. Ze szczytu wzgórza można było dostrzec jeszcze z pół tuzina takich maszyn. W chwilach gdy przerywaliśmy rozmowę, słychać było tylko muzykę młotków – stłumione łupnięcia, odległe brzęki, jakby ktoś stroił instrument, oraz chrzęst odpadających skał. Jeśli stukało się w jakiś kamień wystarczająco uparcie, pękał wzdłuż płaszczyzny rozdzielającej dwie warstwy mułu. Czasami, rozłączywszy takie dwie połówki niczym herbatnik ze słodką masą, można było zobaczyć liść zachowany tak idealnie, że przez lupę Winga dało się w nim dojrzeć korytarzyki wygryzione przez owady 56 mln lat temu.

Wing natychmiast się zorientował, kiedy znalazł swoje pierwsze złoże liści z okresu PETM.
– Wielu z tych roślin nigdy nie widziałem – powiedział. Skamieniałości, które znalazł wcześniej, dowodziły, że przed i po ociepleniu nieckę porastał gęsty las złożony z brzóz, jaworów, sekwoi, palm i zimozielonych roślin podobnych do magnolii. Grunt pod nogami musiał być gąbczasty, miejscami bagnisty. Zarówno w paleocenie, jak i w eocenie rejon Bighorn był taki jak współczesna północna Floryda.
Jednak Wing stwierdził, że u szczytu PETM krajobraz przybrał inny wygląd. Okresowo stawał się suchy i otwarty, jak wyschnięte lasy tropikalne Ameryki Środkowej. W miarę jak planeta ocieplała się, nowe gatunki roślin migrowały gwałtownie do niecki z obszarów na południu tak odległych, jak wybrzeże Zatoki Meksykańskiej, oddalone o ponad 1500 km. Wiele z nich stanowiły rośliny strączkowe – nie te odmiany, które znamy z ogrodów, tylko drzewa z tej samej rodziny, przypominające dzisiejsze mimozy. I roiło się od drobnych bezkręgowców.
Pośród setek skamieniałych liści przebadanych przez Winga i jego koleżankę Ellen Currano w prawie sześciu na dziesięć widać dziury lub kręte kanaliki wygryzione przez insekty. Być może ciepło przyspieszało przemianę materii owadów, sprawiając, że więcej jadły i bardziej się rozmnażały. A może dodatkowy dwutlenek węgla wpływał bezpośrednio na rośliny. Kiedy do dzisiejszych szklarni wdmuchuje się CO2, rośliny rosną bujniej, ale zawartość białka jest w nich niższa, przez co ich liście stają się mniej pożywne. To samo mogło się zdarzyć w cieplarnianym świecie PETM – być może owady musiały zjadać tyle liści tylko po to, żeby się nasycić.
A do tego przeżarte przez robactwo listowie PETM było także znacznie mniejsze od liści paleoceńskich przodków tych samych roślin, bo, jak stwierdził Wing, opady deszczu zmniejszyły się o blisko 40 proc. (Kiedy zaczyna brakować wody, rośliny obniżają jej straty, rozwijając mniejsze liście). Mniejsza ilość opadów sprawiała też, że ziemia wysychała co roku, a zawarte w niej żelazo utleniało się, nadając jej kolor rdzawoczerwony. Potem, u szczytu PETM, czerwone pokłady znikły – ale nie dlatego, że klimat stał się bardziej wilgotny. Opady zaczęły się jednak koncentrować, jak deszcze monsunowe. Rzeki w niecce wciąż występowały z brzegów i zalewały okolicę, wypłukując glebę, zanim zdążyła się nagromadzić.

W Pirenejach Birger Schmitz znalazł bardziej dramatyczne świadectwa katastrofalnych powodzi w okresie PETM. Wraz ze swoim kolegą Victorianem Pujalte’em z Uniwersytetu Kraju Basków w hiszpańskim Bilbao rozpoznał charakterystyczny wzrost poziomu węgla u podstawy formacji skalnej, która choć obecnie mieści się wysoko w górach, wtedy prawdopodobnie leżała na przybrzeżnej równinie. Pole głazów zostało zmyte z pączkujących gór i rzucone na obszar zalewowy zajmujący tysiące kilometrów kwadratowych. Niektóre z nich miały po pół metra średnicy i mógł je tam zanieść tylko wyjątkowo gwałtowny prąd wody. Odkładane setkami lat przez wylewające rzeki, są jak skamieniałe odciski energii w cieplarnianej atmosferze.
Podczas gdy w niecce Bighorn rozwijały się bujnie drzewa strączkowe, w całym oceanie rozkwitał glon Apectodinium. Gatunek ten jest wymarłym przedstawicielem bruzdnic – grupy jednokomórkowych organizmów, z których część wywołuje dziś toksyczne zakwity. Wszystkie bruzdnice mają po dwie nibynóżki, którymi wymachują, by poruszać się w wodzie. Zimą komórki Apectodinium wycofują się do twardych otoczek, które opadają na dno morza. Następnej wiosny klapka na każdej z otoczek otwiera się. Komórka wypełza na zewnątrz i unosi się ku powierzchni, pozostawiając pustą otoczkę Brinkhuisowi i Appy’emu Sluijsowi, żeby po 56 mln lat mogli rozpoznać ją w próbce osadu.
Przed PETM Brinkhuis i Sluijs znajdują Apectodinium tylko w obszarach podzwrotnikowych. Natomiast w samym okresie maksimum termicznego napotykają je na całym świecie – co potwierdza, że ocean ogrzewał się wszędzie. Już w paleocenie temperatura wody w Oceanie Arktycznym osiągała 18OC, podczas PETM podskoczyła do mniej więcej 23. Pływałoby się tam tak jak dzisiaj na środkowym wybrzeżu Atlantyku, które sądząc po rdzeniu osadowym przeanalizowanym przez Brinkhuisa i Sluijsa, musiało być jak Karaiby. Dziś woda w pobliżu głębokiego dna morskiego jest bliska temperatury zamarzania, w tamtym okresie miała kilkanaście stopni.
W miarę jak ocean wchłaniał dwutlenek węgla ogrzewający planetę, wzrastała też kwasowość wody, tak samo jak będzie wzrastać w ciągu następnego stulecia, wraz z ponownie podnoszącym się poziomem CO2. Znajduje to potwierdzenie w niektórych osadach głębokomorskich, gdzie PETM jest równie wyraźnie widoczne jak w warstwach niecki Bighorn. W czasie maksimum zakwaszony ocean rozpuszczał węglan wapnia. W tym momencie można by się spodziewać prostej opowieści z morałem: kwaśny ocean wymazuje niezliczone formy życia, rozpuszcza korale, małże i otwornice. To scenariusz, który zdaniem wielu naukowców przydarzy się w XXI w. Jednak PETM jest bardziej zagadkowe. Choć wygląda na to, że korale w Oceanie Tetydy, poprzedniku m.in. Morza Śródziemnego przecinającym Bliski Wschód, mocno ucierpiały, jedyny przypadek masowego wymierania w okresie PETM jest zaskakujący. Dotknął on aż połowy gatunków otwornic żyjących w dennym mule. To był gatunek kosmopolityczny, przystosowany do rozmaitych warunków i powinien poradzić sobie z wszelkimi niespodziankami zgotowanymi mu przez PETM.

Zważywszy na stopień zakwaszenia oceanu, Zachos i jego koledzy oszacowali, że początkowo do atmosfery przeniknęło gwałtownie około 3 bln ton węgla, po czym kolejne 1,5 bln dostawało się do niej w sposób bardziej stopniowy. Te łączne 4,5 bln ton to w przybliżeniu całkowita ilość węgla, jaka według szacunków jest uwięziona w złożach paliw kopalnych. Początkowa eksplozja odpowiada mniej więcej obecnemu poziomowi, który jest efektem trzech wieków emisji wywołanej przez człowieka. Chociaż dane nie są ostateczne, większość naukowców zakłada, że uwalnianie węgla w okresie PETM było wolniejsze i trwało tysiące lat.
Bez względu na to, jak szybko węgiel był uwalniany, geologiczny proces jego usuwania trwał znacznie dłużej. W miarę jak węglany na morskim dnie ulegały rozpuszczeniu, neutralizując zakwaszenie, ocean mógł wchłaniać więcej CO2 i w ciągu kilku wieków lub tysiącleci po nagłym uwolnieniu szczyt stężenia tego związku w atmosferze minął. Tymczasem związki węgla rozpuszczały się także w kroplach deszczu, które wypłukiwały wapń ze skał i zmywały go do morza, gdzie łączył się z jonami węglanowymi, tworząc więcej węglanu wapnia. Ten proces, zwany wietrzeniem, trwa przez cały czas, ale w okresie PETM następował szybciej, bo klimat był cieplejszy, a deszcz bardziej kwaśny. Stopniowo deszcz spłukał skumulowany w atmosferze CO2, który w końcu trafił do wapienia na morskim dnie. Klimat powoli powrócił do pierwotnego stanu.
– To tak, jak dziś z paliwami kopalnymi – mówi Zachos. – Bierzemy to, czego akumulacja trwała miliony lat, i uwalniamy w ciągu jednej geologicznej chwili. W końcu system wbije to z powrotem w skałę, ale to potrwa setki tysięcy lat.
Matt Huber, twórca modeli klimatycznych, który przez większość swojej kariery usiłował zrozumieć PETM, próbował też przewidzieć, co może się zdarzyć, jeżeli ludzie postanowią spalić wszystkie swoje złoża paliw. Huber wykorzystuje model klimatyczny opracowany przez Narodowe Centrum Badań Atmosfery w Kolorado, jeden z najmniej wrażliwych na dwutlenek węgla. Mimo to uzyskuje diabelskie wyniki. W ramach tego, co nazywa „najlepszym z fatalnych scenariuszy” (jego najgorszy przypadek to „scenariusz globalnego wypalenia”), życie w regionach zamieszkiwanych obecnie przez połowę ludzkiej populacji stanie się nie do zniesienia. Na znacznych obszarach Chin, Indii, południowej Europy i USA średnie temperatury latem będą znacznie przekraczać 37OC w dzień i w nocy.

Zdaniem Hubera klimatolodzy niezbyt często wygłaszają tak ponure prognozy długoterminowe po części dlatego, że sceptycy, wyolbrzymiając naukowe niejasności, oskarżają ich o sianie paniki.
– Zasadniczo próbujemy wygładzać nasze wypowiedzi – twierdzi Huber. – Ilekroć dostrzegamy coś naprawdę złego, gryziemy się w język. Panuje zgodność co do tego, że w istocie jest znacznie gorzej, niż ludzie uważają.
W okresie PETM skwar wypierał tropikalne gatunki w stronę biegunów. Zwierzęta i rośliny z wszystkich kontynentów mogły przemierzać mosty lądowe i mieszać się ze sobą. W rejonie Bighorn pojawiły się zwierzęta kopytne, przodkowie dzisiejszych koni. Nieco później, być może wtedy, gdy klimat ponownie stał się wilgotniejszy i nad otwartymi terenami, sprzyjającymi biegającym stworzeniom, zaczęły zamykać się korony drzew, pojawiły się pierwsze prawdziwe naczelne.
Ludzie, a także każdy inny reprezentant żyjących obecnie naczelnych, pochodzą od jakiegoś przedstawiciela tego rzędu z czasu PETM – podobnie jak nieparzystokopytne, takie jak konie, tapiry i nosorożce, wywodzą się od innego przodka z tego okresu, a parzystokopytne, np. jelenie, krowy i owce, od jeszcze innego. Gatunki, które pojawiły się nagle w Bighorn, mogły przywędrować z Azji, gdzie próbki skamieniałości są nieco starsze od tych znalezionych w Ameryce. Z kolei te gatunki musiały mieć przodków w paleocenie. Lecz jak dotąd brak jest paleoceńskich skamieniałości, na które paleontolodzy mogliby spojrzeć i powiedzieć, że należą do naczelnych albo do koni. I, jak powiedział mi Gingerich, nie wynika to z faktu, że za słabo się im przyglądają.
W okresie PETM niektórym ssakom przydarzyło się coś dziwnego – skarłowaciały. Koniowate w Bighorn skurczyły się do rozmiarów kota syjamskiego. Kiedy poziom węgla w atmosferze spadł, zwierzęta ponownie stały się większe. Nie jest jasne, czy malały w wyniku upału, czy samego CO2. Jednak zdaniem Gingericha wniosek jest taki, że w zmieniającym się środowisku zwierzęta potrafią ewoluować szybko.
Po 56 mln lat naczelne, które wtedy były wielkości myszy lub królików, rządzą. Oswoiły innych potomków PETM – konie, krowy, świnie, owce – i wraz z nimi rozprzestrzeniły się po planecie. Porzuciły rolniczy styl życia na rzecz tego, który choć nieskończenie zróżnicowany, jest prawie nieodmiennie napędzany przez paliwa kopalne. Kiedy wraz Gingerichem podskakiwaliśmy w jego wozie terenowym na szczycie Polecat Bench, widzieliśmy żurawie pompowe, które kołysały się powoli tam i z powrotem, wydobywając na powierzchnię ropę z okresu kredy. Kołyszą się tak w całym rejonie Bighorn. Na wschodzie, w dolinie rzeki Powder, ogromne szufle zdrapują paleoceński węgiel.
Od XVIII w. spalanie paliw kopalnych uwolniło do atmosfery ponad 300 mld ton węgla – to prawdopodobnie mniej niż dziesiąta część tego, co nadal tkwi w ziemi albo zostało uwolnione w okresie PETM. Tamten epizod nie mówi nam, co się stanie z życiem na Ziemi, jeżeli postanowimy spalić resztę. Być może nastąpi eksplozja ewolucyjnych innowacji taka jak ta, dzięki której powstali nasi naczelni przodkowie. A może tym razem, przy wszystkich innych naciskach, jakim podlegają gatunki, nastąpi masowe wymieranie. Za dziesiątki milionów lat, bez względu na to, co się stanie z ludzkością, życie na Ziemi może radykalnie różnić się od tego, jakie mogłoby być – tylko z uwagi na sposób, w jaki dostarczaliśmy energii naszemu światu przez kilka stuleci.