Matematiki napovedujejo naslednje množično izumrtje

Ključno dogajanje do leta 2100
Al. Ma.|23.09.2017 ob 15:32
Ljubljana - MMC RTV SLO
Kdaj bo nastopila točka brez vrnitve? Po letu 2100 - in to s precejšnjo verjetnostjo - ocenjujejo na MIT-u. Foto: MIT

V zadnjih 540 milijonih let se je na Zemlji zgodilo pet množičnih izumrtij, povezanih s količino ogljikovega dvokisa v ozračju in oceanih. Glede na izračune šesto ni več daleč.

Na ameriškem Inštitutu za tehnologijo v Massachusettsu (MIT) so z matematičnimi in statističnimi orodji analizirali 31 zgodovinskih dogodkov, ki so se zgodili v razponu 542 milijonov let in katerih sledi so izotopi ogljika. V množici podatkov so našli "mejo katastrofe", količino ogljikovega dioksida v tekočinah sveta, ki je časovno sovpadala z množičnim izumiranjem življa, piše v MIT-ovem sporočilu za javnost. Raziskava je objavljena v znanstveni publikaciji Science Advances in je nastala v sodelovanju z Naso.

Planet je trenutno sredi še enega ogljičnega cikla. Izpusti ogljikovega dioksida se višajo od 18. stoletja naprej. Pereče vprašanje je, ali lahko aktualni cikel pripelje do naslednjega množičnega izumrtja. Znanstveniki o tem že dolgo tuhtajo, odgovori pa so vse prej kot enoznačni. Težko je namreč sklepati s prastarih ogljičnih anomalij, ki so trajale tisoče in milijone let, na današnje, ki šteje le dobrih sto let.

Profesor geofizike na MIT-u, Daniel Rothman, je ponudil svojo različico. S pomočjo analize prej omenjenih podatkov je postavil tezo, da je za množično izumrtje dovolj izpolnitev enega od dveh pogojev, ki destabilizirata okolje in naposled pripeljeta do katastrofe za živelj. Prvi: če se spremembe v ogljičnem ciklu dogajajo na dolgi rok, bo do izumiranja prišlo le, če je stopnja sprememb hitrejša in intenzivnejša od sposobnosti globalnega podnebja za prilagajanje. Če pa se ogljični pretresi zgodijo časovno bolj zgoščeno, potem podnebna sposobnost prilagajanja nima vloge. Le od intenzivnosti ogljičnih perturbacij bo odvisno, ali se bo množično izumrtje zgodilo ali ne.

To logiko je Rothman uporabil za aktualne napovedi: glede na to, da se zdajšnji cikel dogaja na relativno kratki časovnici, je verjetnost šestega množičnega izumrtja odvisna od tega, koliko dodatnega ogljikovega dioksida bodo absorbirali oceani. Kritično količino dodatnega CO2 je naračunal na 310 gigaton, kar naj bi bilo tudi približno toliko, kolikor jih bodo nanesle človeške dejavnosti vse do leta 2100. Ali to pomeni, da se bo z naslednjim stoletjem začela katastrofa za življenje na Zemlji? Takrat bo biologija prestopila mejo in zatavala na "neznano ozemlje", obdobje, ki bo trajalo okoli 10.000 let in v katerem se bodo nagrmadile številne ekološke katastrofe.

"To ne pomeni, da se bo že prvi dan leta 2100 zgodilo najstrašnejše. To pomeni, da se bo ogljični cikel - če glede tega ne storimo nič v nasprotno smer - pomaknil na področje nestabilnosti; in se bo začel obnašati sila nepredvidljivo. Iz zgodovine pa vemo, da je takšno obnašanje povezano z množičnimi izumrtji."

Zgodovina in teorija
Rothman se je v preteklosti raziskovalno ukvarjal predvsem z množičnim izumrtjem na koncu perma, najhujšim v zgodovini, ko je ogromnemu dodatku ogljikovega dioksida v Zemljine sisteme sledil pogin več kot 95 odstotkov vseh vodnih živali. Za to delo je leta 2015 prejel nagrado ameriške skupnosti matematikov (AMS). Razprave s kolegi so ga že takrat pripeljale do uganke o verjetnosti naslednjega tovrstnega dogodka, začenši s tem vprašanjem: "Kako lahko sploh primerjamo te obsežne pojave v daljni geološki preteklosti, ki so se za nameček razlezli čez ogromne časovne skale; s tem, kar se dogaja danes in šteje največ stoletja? Tako sem nekega poletnega dne začel sistematično raziskavo." Naposled je sestavil relativno enostavno matematično formulo na podlagi fizikalnih principov, ki povezuje kritično hitrost in velikost sprememb v ogljičnem ciklu na eni strani ter časovnico, ki razlikuje med hitrimi in počasnimi spremembami na drugi strani. Postavil je hipotezo, da lahko formula napove množična izumrtja.

Formulo je preizkusil na preteklih dogodkih. Zbral je stotine znanstvenih člankov s področja geokemije in v njih našel 31 relevantnih dogodkov v zadnjih 542 milijonih let, ko so se v Zemljinem ogljičnem ciklu zgodile večje spremembe. Za vsakega, vključujoč pet množičnih izumrtij, je Rothman zaznal spremembo v ogljiku. Kako? Kot spremembo v relativni obilici izotopa ogljika-12 in ogljika-13. Pomemben podatek je bila tudi hitrost te spremembe.

Nato je zasnoval matematično transformacijo, s katero je zbrane količine pretvoril v skupno maso ogljika, ki je med vsakim dogodkom končala v oceanih. Za konec je še povezal maso s časovnico hitrih in počasnih sprememb. "Postalo mi je jasno, da se je ob neko značilno stopnjo sprememb sistem zelo rad spotaknil," je dejal Rothman, sodeč po MIT-ovem sporočilu za javnost.

Povedano malo drugače, izoliral je mejo, pod katero je dejansko ostala velika večina od 31 dogodkov. Skoraj vsi so bili dokaj neškodljivi, čeprav so prav vsi vključevali obsežne spremembe v ogljiku. Do destabilizacije je nekaj manjkalo.

Na drugi strani so bili štirje dogodki, ki so mejo presegli, med njimi že omenjena katastrofa v permu, ki jo je presegla najdlje. "Na tej točki se je zastavilo vprašanje, kaj to pomeni."

(Peti je seveda povezan s kataklizmičnim trkom nebesnega telesa z Zemljo 65 milijonov let nazaj, ko so bili pogubljeni dinozavri.)

Profesor Anthony Barnosky (Berkeley): Če bomo nadaljevali s takim tempom, je šesto neizogibno


Skrito uhajanje

Z nadaljnjo analizo je ugotovil, da je kritična meja za katastrofo povezana s skritim procesom znotraj Zemljinega naravnega ogljičnega cikla. Ta je v bistvu zanka med fotosintezo, kjer rastline trošijo CO2 in oddajajo kisik; in dihanjem, kjer živali kurijo kisik in oddajajo ogljikov dvokis. V običajnih okolnostih cikel vsebuje nekaj "uhajanja", ko manjša količina organskega vodika konča na dnu oceana v sedimentih in se izloči iz širšega sistema.

Rothman je ugotovil, da je kritična meja enakovredna čezmerni proizvodnji ogljikovega dioksida, ki bi nastala, če bi to "uhajanje" v vode ustavili. Dodatnega CO2 ni bilo mogoče pojasniti z naravnim ciklom, pri čemer so ga drugi procesi pripeljali v negotovost.

Na koncu je znanstvenik prišel do naslednjega spoznanja: kritična meja leži izključno zunaj časovnice, znotraj katere lahko ogljični cikel znova vzpostavi ravnovesje po tem, ko ga je nekaj zmotilo. Danes ta časovnica znaša okoli 10.000 let. Pri precej krajših dogodkih pa kritična meja ni več povezana s hitrostjo, po kateri se ogljik nalaga na morsko dno, temveč s skupno maso ogljika. Pri obeh scenarijih presežni ogljik kroži po tekočinah sveta in s seboj zelo verjetno povleče še globalno segrevanje ter kisanje oceanov.

Do konca stoletja
S kritične meje in časovnice ravnotežja je Rothman izračunal, da kritična masa ogljika za današnji čas znaša 310 gigaton. Nato je napoved primerjal s skupno maso ogljika, ki jo bo človeštvo dodalo v oceane do leta 2010 - to pa je pridobil iz poročila mednarodnega odbora za podnebne spremembe. Odbor je obravnaval štiri scenarije emisij ogljikovega dioksida, od najkonservativnejšega, po katerem bi emisije omejevali z ostrimi ukrepi; pa do najbolj neomejenega s tovrstnimi politikami.

Še po najbolj optimističnem bo človeštvo do konca stoletja v oceane dodalo 300 gigaton ogljika, po najslabšem pa več kot 500 gigaton.

Tako bo čez slabih 80 let svet ali zelo blizu - ali pa že daleč čez kritično mejo za katastrofo. "Morali bomo najti način, kako zmanjšati emisije ogljikovega dioksida." "Raziskava nas opominja, da moramo biti previdni in iz preteklosti povleči lekcije za prihodnost."

Ordovicij-silur (od 440 do 450 milijonov let nazaj)
Več dogodkov je pokončalo kar 85 odstotkov vseh vrst morskih živali, navaja angleška Wikipedija. Krivo ni bilo povečanje, temveč zmanjšanje ogljikovega dioksida. Sprožil naj bi ga dvig novih gorovij, ki je iz atmosfere posrkal večje količine toplogrednega plina. Zemlja se je ohladila, lep del je prekril ledeni oklep, gladine morij so se znižale. Življenje, prilagojeno na prejšnje razmere, ni sledilo dovolj hitro.

Pozni devon (364 milijonov let nazaj)
Serija dogodkov je skozi obdobje do 20 milijonov let pobila 70 odstotkov vrst. Razlage so precej različne, vse pa so povezane z večjimi podnebnimi spremembami. V oceanih se je pojavilo večje pomanjkanje kisika, izbruhi ognjenikov naj bi s pepelom zastrli nebo in sprožili ohlajanje. Hiter razvoj kopnih rastlin, ki so z nekajcentimetrskih postajale večdesetmetrske, pa tudi njih širjenje na nova področja, naj bi iz ozračja posrkalo veliko CO2-ja in dodalo svoje pri ohlajanju. Domnevnih vzrokov in dogodkov je še veliko. WordAtlas navaja, da je v biotskem nemiru svojo pot končal tudi prvi kopni vretenčar, ribja dvoživka, s čimer je bil prihod vretenčarjev na trdna tla zamaknjen za 10 milijonov let. Takrat so prišli ihtiostegi, izvor vseh kopnih vretenčarjev - in s tem tudi nas. Tako pravijo, da brez pokola v poznem devonu tudi človeštvo danes ne bi obstajalo.

Perm-trias (252 milijonov let nazaj)
Največje množično izumrtje vseh časov. Krive so t. i. sibirske pasti. Na področju današnje Sibirije se je odprla zemeljska skorja, nepredstavljivo ogromno polje magme, ki je bruhala ogromne količine ogljikovega dioksida in strupenih plinov. Zemlja je bila polna strupov in močno segreta, saj so oceani v tropih dosegali tudi 40 stopinj Celzija. V odziv so se razvile metanogene vodne bakterije, ki so oddajale metan in oceani so se zakisali. Skoraj 96 odstotkov vrst je za vekomaj izginilo, med drugim trdoživi trilobiti, nekoč vladarji Zemlje. Vse dandanes živo na Zemlji izhaja iz preživelih nekaj odstotkov vrst.

Trias-jura (200 milijonov let nazaj)
Najskrivnostnejše množično izumrtje, saj znanstveniki do zdaj niso našli nobenega jasnega vzroka. Poginile so velike dvoživke, arhozavri in zverozobci, predhodniki sesalcev. S tem so dinozavri ostali praktično brez prave konkurence in Zemlji vladali naslednjih 150 milijonov let.

Kreta-paleogen
Konec dinozavrov, začetek ere sesalcev. Kriv naj bi bil udarec asteroida na območje današnjega Mehiškega zaliva. Pomrlo je 76 odstotkov vsega življenja na Zemlji.


Dolgo je bilo treba

Za ponazoritev še širša časovnica. Zemlja je nastala pred 4,45 milijarde let. Prvo življenje sploh naj bi se pojavilo med 4,3 in 3,7 milijarde let nazaj. Na kopno naj bi se razširilo precej pozneje, šele dobrih 400 milijonov let nazaj, torej 200 milijonov let zatem, ko je bila vzpostavljena zaščitna ozonska plast. Čeprav raziskava nakazuje, da bi prve življenjske oblike v lužah na kopnem uspevale pred 3,5 milijarde let.

V tem trenutku pa je ključno vprašanje, ali ne bo človeštvo sledilo prej omenjenim vrstam.


To ne pomeni, da se bo že prvi dan leta 2100 zgodilo najstrašnejše. To pomeni, da se bo ogljični cikel - če glede tega ne storimo nič v nasprotno smer - pomaknil na področje nestabilnosti; in se bo začel obnašati sila nepredvidljivo. Iz zgodovine pa vemo, da je takšno obnašanje povezano z množičnimi izumrtji.

Rothman


Rothman je matematik, ki se ukvarja z množičnimi izumrtji; še največ z znano katastrofo v permu. Foto: John M. Hayes
Matematično orodje, ki ga je razvil Rothman, je dalo takšen končni izid. Rdeča so množična izumiranja, modra pa povečanja ogljika v ogljičnem ciklu, ki niso povzročila katastrofe. Foto: Science Advances
Edini izmed zadnjih petih množičnih izumrtij, ki ni povezan z dvigom ogljika, je izumrtje dinozavrov pred 65 milijoni let zaradi trka Zemlje z drugim nebesnim telesom. Foto: Reuters
Znanstveniki ocenjujejo, da je pod morskim dnom v permafrostu shranjenih še okoli 1.600 milijard ton ogljika, kar je okoli dvakrat več, kot ga je zdaj v ozračju. Če bi se ves izpustil v ozračje, bi to imelo katastrofalne posledice za podnebje in življenje na Zemlji. Foto: EPA
Zdajšnji način življenja je povsem nevzdržen, ugotavljajo znanstveniki MIT-a. Foto: Reuters

Svet