Piekło nazywa się PETM

Wszystko ma swój początek i koniec. Olbrzymi superkontynent Pangea, który powstał w erze paleozoicznej, nie był wyjątkiem – zaczął się rozsypywać w erze mezozoicznej, aby ostatecznie przejść do historii w erze kenozoicznej, czyli tej, w której żyjemy. Jednym z ostatnich epizodów tego tektonicznego dramatu, rozpisanego na wiele etapów i trwającego dziesiątki milionów lat, było rozstanie Europy z Ameryką Północną. Rozdzielił je północny Atlantyk, który właśnie wtedy się narodził. Poród trwał długo, a zaczął się ok. 60 mln lat temu, czyli kilka milionów lat po tym, jak na Ziemi zniknęły dinozaury, pozostawiwszy po sobie na lądach sporo pustych nisz ekologicznych, zajmowanych stopniowo przez nowe grupy zwierząt, wśród których na czoło wysunęły się ssaki.

Narodziny północnego Atlantyku domknęły proces powstawania nowego oceanu. Proces, który zaczął się o wiele wcześniej. Pierwsze pęknięcie w skorupie ziemskiej, które wkrótce wypełniły wody oceaniczne, odseparowało Amerykę Północną od Afryki; następnie ta druga pożegnała się z Ameryką Południową. Do obu zdarzeń doszło ponad 100 mln lat temu, jeszcze w erze mezozoicznej, za życia dinozaurów. Atlantyk powiększał się wtedy szybko, głównie wszerz, ale nadal nie sięgał daleko na północ. Drogę do Arktyki zamykały mu Grenlandia do spółki z Półwyspem Skandynawskim i Wielką Brytanią – lądy te trzymały się razem od kilkuset milionów lat. W końcu jednak i one ustąpiły miejsca oceanowi. Woda wypełniła gigantyczną rysę, która powstała w miejscu, gdzie na powierzchnię globu wydostawały się olbrzymie ilości lawy.

Ten kataklizm – chciałoby się powiedzieć: nieziemskich rozmiarów, ale dzięki badaniom geologicznym wiemy już, że Ziemia zdolna jest do jeszcze większych ekscesów wulkanicznych – uruchomił lawinę zdarzeń, które doprowadziły do gwałtownego wzrostu temperatury na globie. Najostrzejsza faza tej globalnej gorączki nastąpiła 55,6 mln lat temu. Jej przebieg naukowcy próbują zrekonstruować od kilku dekad. We względnie krótkim czasie, najwyżej kilku tysięcy lat – w geologii to mgnienie oka – temperatury na globie, już i tak znacznie cieplejszym niż dziś, podniosły się o kolejnych 5–8°C. Ziemia przeobraziła się w szklarnię – gorącą i wilgotną.

Rzym na biegunie

Tę rekordową gorączkę, największą w erze kenozoicznej, nazwano paleoceńsko-eoceńskim maksimum termicznym, w skrócie PETM (od ang. paleocene-eocene thermal maximum). Nazwa wzięła się stąd, że skok temperatur nastąpił na przełomie paleocenu i eocenu – dwóch pierwszych epok kenozoiku. To były szalone czasy! I mimo wszystko dość nietypowe jak na Ziemię, która przecież niejedno już przeżyła. Obecność palm w odległości zaledwie 500 km od bieguna północnego – tam właśnie znaleziono ich nasiona – oznaczała, że temperatura w najzimniejszym okresie w takim miejscu nie mogła być niższa niż 8–10°C. Taki klimat ma dziś Rzym albo Barcelona. Skoro wegetacja przesuwała się bliżej biegunów, w ślad za nią wędrowały też zwierzęta. One również uciekały jak najdalej od równika. Stąd skamieniałości poprzedników aligatorów i olbrzymich żółwi znajdowane są dziś za kołem polarnym.

Nie tylko daleka północ rozgrzała się do ekstremalnych temperatur. To samo działo się po drugiej stronie globu. Antarktyda była cieplutka i oczywiście pozbawiona lodu. Za to porośnięta lasami. I to jakimi! Ziemia Wilkesa to sąsiadujący z Oceanem Indyjskim fragment Antarktydy Wschodniej. Dziś jest zmrożony na kość, zimą temperatury w jego wnętrzu z łatwością spadają poniżej –50°C, a na wybrzeżu jedynie w grudniu i styczniu (czyli podczas antarktycznego lata) sięgają tylko kilku kresek powyżej zera. Analiza resztek roślin i nasion zmytych do morza i zachowanych pod jego dnem w pobliżu brzegów Antarktydy wykazała, że podczas PETM na Ziemi Wilkesa wegetowała roślinność znana dziś ze strefy międzyzwrotnikowej – z palmami i drzewami z rodziny wełniakowych, której współczesnym przedstawicielem jest baobab! To oznacza, że i tutaj, i pod biegunem północnym średnie temperatury w zimie nie mogły spadać poniżej 10°C. Wyobraź sobie, że znajdujesz kawałek sympatycznej plaży na takim wybrzeżu i postanawiasz się wykąpać. Dziś to byłoby szaleństwo, jako że temperatura Oceanu Indyjskiego w pobliżu Ziemi Wilkesa jest bliska zera. Ale przed 55,6 mln lat woda w tym miejscu była cieplejsza o 20°C stopni. Tak mówią analizy geochemiczne skał wydobytych spod dna oceanu w wyniku wierceń. Warto wiedzieć, że Antarktyda w tamtych czasach była wciąż połączona z Ameryką Południową, dzięki czemu ciepłe prądy morskie w Atlantyku mogły docierać daleko na południe.

Skoro za kołami podbiegunowymi było podczas PETM niemal tak gorąco jak współcześnie w tropikach, to jakie były ówczesne tropiki? Odpowiedź można zawrzeć w dwóch słowach: piekielnie gorące. Z badań także opartych na analizie osadów z dna morskiego wynika, że Atlantyk w pobliżu Afryki Zachodniej był rozgrzany do 36oC. To o dziesięć stopni więcej niż obecnie. Kto chciałby popływać w takiej ciepłej wannie, szybko by odkrył, że taka kąpiel zupełnie nie odświeża. Dla organizmów morskich, nawet ze strefy tropikalnej, tak wysoka temperatura była katastrofą. Co gorsza, nadwyżki ciepła docierały na duże głębokości, gdzie zwykle jest chłodno. Nic dziwnego, że mieszkańcy oceanicznych otchłani wymierali masowo. To właśnie naukowcy badający przyrodę głębin morskich w odległych epokach geologicznych pierwsi wpadli na trop gorączki PETM.

Przegrzane otwornice, rozpędzone ssaki

W 1987 r. James Kennett, geolog i oceanograf z University of California w Santa Barbara, popłynął z grupą współpracowników do Antarktyki, rzucił kotwicę na Morzu Weddella, sąsiadującym od północy z Atlantykiem, a następnie nawiercił tam dno morskie i pobrał z niego długi rdzeń z osadami, które gromadziły się przez dziesiątki milionów lat. Im wyżej, tym były młodsze. Kiedy na statek wciągnięto fragment skał znajdujących się 150 m pod dnem morskim, ludzie Kennetta od razu dostrzegli zmianę. Zapisała się ona w kawałku rdzenia o długości zaledwie kilku centymetrów. Poniżej tego fragmentu skałę wypełniały liczne skamieniałości otwornic – jednokomórkowych organizmów, które za życia albo unosiły się w wodzie, wchodząc w skład planktonu morskiego, albo też żyły przy dnie. Mikroskopijne ciałka jednych i drugich po śmierci opadały na dno, a ich zbudowane z węglanu wapnia pancerzyki zostały przykryte przez młodsze osady, pod których naciskiem uległy fosylizacji i w takiej skamieniałej formie przetrwały do naszych czasów. Badacze naliczyli ok. 60 gatunków tego jednokomórkowego drobiazgu. To był różnorodny, bogaty świat, który nagle zniknął. Powyżej wspomnianego segmentu, którego wiek określono wówczas na jakieś 57 mln lat, liczba gatunków otwornic spadła do 17. Reszta wymarła w wyniku jakiegoś tajemniczego kataklizmu.

Badacze rozpoczęli śledztwo. Odkryli, że dramatycznie zmieniła się proporcja izotopów węgla i tlenu, które odkładały się w skorupkach otwornic jeszcze za ich życia. Kennett i jego student Lower Stott, dziś profesor University of Southern California, uznali te anomalie za dowód nagłego pojawienia się w oceanach dużych ilości węgla, który silnie zakwasił wodę. Doszli do wniosku, że węgiel ten musiał też przeniknąć do atmosfery i znacznie podnieść temperaturę na globie, a następnie impuls cieplny powrócił do oceanów, ogrzewając nie tylko ich wierzchnie warstwy. Całe, od góry do dołu, zmieniły się w ciepłą zupę. Tak mówiły izotopy tlenu. Ponieważ w ciepłej wodzie mieści się mniej tlenu niż w zimnej, przy dnie mogło dojść do hipoksji, czyli niedotlenienia. Za dużo węgla, za mało tlenu, zbyt wysokie temperatury – warunki życia w oceanach nagle stały się skrajnie trudne. W wyniku wielu późniejszych badań oceniano, że rozmiary zagłady w głębinach były największe w ciągu ostatnich 93 mln lat. Poprzednia tak wielka rzeź na dnie wydarzyła się w górnej kredzie, kiedy wyginęły trzy czwarte bezkręgowców morskich, a ich los podzieliły ichtiozaury – „delfiny” ery mezozoicznej (ichtiozaury były jednak gadami).

Podczas gdy życie na dnie gorących oceanów dogorywało w konwulsjach, na lądach i morzach rozpoczęła się zaciekła rywalizacja o zajęcie nowych nisz ekologicznych. Ekstremalne paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne dotknęło wiele grup zwierząt lądowych. Część z nich uciekała przed skwarem jak najdalej od równika, inne redukowały rozmiary, jeszcze inne przeprowadzały się z lądów do mórz. Właśnie wtedy do wygrzanych, pełnych życia lagun przenieśli się przodkowie obecnych wielorybów, żywiący się słonolubną drobnicą. Płetwale błękitne, kaszaloty, orki i dziesiątki innych gatunków wspaniałych waleni pośrednio zawdzięczają swoje istnienie właśnie gorączce PETM. No i nie tylko one. Również my, bo to wtedy właśnie rozpoczęła się przyspieszona ewolucja naczelnych, a także trąbowców, nietoperzy oraz ssaków nieparzystokopytnych, np. koni i tapirów.

Pierwszym, który zorientował się, że 56 mln lat temu ewolucja na lądach nagle przyspieszyła, był paleontolog Philip Gingerich z University of Michigan, który od pół wieku przeszukuje skały w północnej części amerykańskiego stanu Wyoming. Na wschód od słynnego Parku Narodowego Yellowstone znajduje się tam rozległy owalny płaskowyż Bighorn, ciągnący się przez ponad 150 km, płaski jak stół, suchy jak pieprz i wypełniony warstwami skał o grubości 6 km, z których najstarsze liczą ponad pół miliarda lat, a najmłodsze mają mniej niż 50 mln. Tu właśnie Gingerich odnalazł wychodnie osadów, które powstały podczas PETM, a także tuż przed nasileniem się globalnej gorączki i zaraz po jej opadnięciu. W tych skałach natrafił na najstarsze kości ssaków nieparzystokopytnych, parzystokopytnych oraz prawdziwych naczelnych, można powiedzieć, naszych wczesnych przodków. Na podstawie rozmiarów ich zębów stwierdził, że były to zwykle formy karłowate. Naczelne miały rozmiary myszy, najwyżej królika, koniowate nie były większe od psów. Potem podobnych odkryć dokonano również w Chinach i Europie. Wszędzie nowe linie rozwojowe ssaków pojawiały się w zapisie kopalnym nagle, a ich wcześni reprezentanci byli mikrusami.

Gingerich i jego współpracownicy Jim Zachos i Paul Koch postanowili pobrać próbkę szkliwa z zęba ssaka nieparzystokopytnego podobnego do tapira. Wynik badań laboratoryjnych był sensacyjny: proporcja izotopów węgla u tapira z Bighorn – zwierz ów otrzymał łacińską nazwę Phenacodus – była dokładnie taka sama jak u otwornic spod Antarktydy. On także musiał oddychać powietrzem wzbogaconym w węgiel. Nie było mowy o przypadku: gorączka PETM miała ostry przebieg i zasięg globalny. Dziesięć milionów lat po tym, jak w półwysep Jukatan w Meksyku uderzył wielki meteoryt, kładąc kres panowaniu dinozaurów, Ziemia przeżyła kolejny szok. „Rozpętało się wtedy piekło” – stwierdził Kennett podczas jednej z konferencji naukowych. Jeśli jednak PETM był piekłem, to my jesteśmy z piekła rodem.

Gorące pożegnanie Europy i Ameryki

Skąd wziął się cały ten węgiel? Dziś to my zwiększamy jego poziom w atmosferze, ale – wiadomo przecież – prymitywne naczelne sprzed 56 mln lat nie jeździły samochodami ani nie oświetlały swoich domów żarówkami. Zatem to nie one były odpowiedzialne za tamto globalne ocieplenie. Podejrzenie padło na wulkanizm, który nieraz już w przeszłości rozgrzewał planetę przy pomocy gazów pompowanych do atmosfery. Natychmiast pojawiły się nowe pytania: ile tego węgla mogło trafić do atmosfery i w jakim czasie? Gdzie dokładnie wylewała się lawa? W jaki sposób planeta pozbyła się nadwyżki gazów cieplarnianych i ile czasu jej to zajęło? I czy na pewno tylko wulkanizm mógł się przyczynić do tak znacznego podniesienia temperatury na globie? Wszystkie te kwestie zajmują badaczy do dziś, a z upływem lat obraz zdarzeń, jakie zaszły podczas PETM, zyskuje na ostrości.

Niemal na pewno wszystko zaczęło się w chwili, gdy w skorupie ziemskiej pomiędzy Grenlandią z jednej strony a Europą Północno-Zachodnią z drugiej pojawiło się pęknięcie. Rów tektoniczny zwany ryftem stopniowo się pogłębiał i rozszerzał, a wzdłuż niego z wnętrza globu wylewały się coraz większe ilości lawy. Ostatecznie lawa uformowała olbrzymi płaskowyż o powierzchni 1,3 mln km², czyli czterokrotnie większy od obszaru Polski. Geolodzy nazwali tę pokrywę Północnoatlantycką Prowincją Wulkaniczną. Do rozszerzającego się i pogłębiającego ryftu w końcu wlał się Atlantyk, którego dno było systematycznie poszerzane przez nową lawę, wylewającą się z wnętrza globu. Dziś widzimy tego efekty: Grenlandia i Europa odsunęły się od siebie na odległość wielu tysięcy kilometrów.

Wszystko to trwało oczywiście wiele milionów lat, a pomiary geochemiczne wskazują, że główna faza formowania się lawowego płaskowyżu przebiegała 60–55 mln lat temu. A zatem, jak widzimy, istnieje wyraźna zbieżność czasowa pomiędzy PETM a powstaniem Północnoatlantyckiej Prowincji Wulkanicznej, ale z faktu, że dwa zdarzenia występują w tym samym czasie, nie wynika jeszcze, że jedno z nich jest przyczyną drugiego, szczególnie że lawa wylewała się przez miliony lat, a gigantyczne emisje dwutlenku węgla, które wprawiły planetę w stan gorączki, trwały najwyżej kilkanaście tysięcy lat. Szukano więc konkretniejszych danych, które mogłyby potwierdzić tę z pozoru oczywistą hipotezę. Ale pewników brakowało.

Tymczasem pojawiały się inne teorie. Lee Kump i Ying Cui, badacze z Pennsylvania State University, przeanalizowali rdzenie wydobyte na Spitsbergenie i doszli do wniosku, że – owszem – wulkany zaczęły, ale spiralę gorąca nakręciły gigantyczne pożary oraz odmarznięcie metanu uwięzionego na dnie mórz. Ocenili też, że upłynęło 200 tys. lat, zanim rozmaite naturalne systemy termoregulacyjne schłodziły nieco glob. Inny badacz, Robert DeConto z University of Massachusetts, dowodził, że wulkanizm, rozłożony na miliony lat, nie miał nic wspólnego z nagłym wystąpieniem gorączki na Ziemi, a kluczowe było jej odpowiednie nachylenie i ustawienie względem Słońca.

Zwolennicy hipotezy wulkanicznej znaleźli się w defensywie. Nie złożyli jednak broni, lecz rozglądali się za nowymi dowodami. W końcu je przedstawili. W 2018 r. geochemik Gavin Foster z University of Southampton ustalił na podstawie analizy izotopów boru w skorupkach kopalnych organizmów morskich, jak bardzo kwaśne stały się wierzchnie warstwy oceanów podczas PETM, i dorzucił do tego dane z pomiarów izotopów węgla, a następnie wszystko to umieścił w komputerowym modelu obiegu węgla na planecie. Ostatecznie wyliczył, że w czasie krótszym niż kilka tysięcy lat do atmosfery mogło trafić nawet 10 bln ton węgla, który niemal na pewno miał pochodzenie wulkaniczne.

Przestroga dla nas

Dokładny przebieg katastrofy odtworzył rok temu na łamach „Nature Communications” Stephen Jones, geolog z University of Birmingham. Według niego 56 mln lat temu pod północnym Atlantykiem, który dopiero rodził się w bólach, zameldował się niespodziewany gość z wnętrza globu. Był to olbrzymi bąbel magmy, który wybrzuszył już istniejącą pokrywę lawową, tworząc z niej nawet pomost lądowy pomiędzy Grenlandią i Szkocją (położonymi wówczas znacznie bliżej siebie). Tym razem jednak gorąca magma nie wypłynęła na powierzchnię, ale rozlewała się horyzontalnie tuż pod nią, tworząc soczewy pomiędzy warstwami starszych skał, zawierających – i tu dochodzimy do najważniejszego – olbrzymie ilości materii organicznej, czyli węgla. „Ugotowana” przez magmę materia pozbywała się metanu i dwutlenku węgla, które wykorzystując pęknięcia w skorupie ziemskiej, uciekały do oceanów, a z nich – do atmosfery. Mijały setki, potem tysiące lat, a magma wciąż zasilała podziemne soczewy. Jedna soczewa dostarczała niewiele gazów, ale jak wyliczył Jones ze współpracownikami, takich struktur mogło być kilkanaście tysięcy. Ich liczba przeszła w jakość. – Łącznie mogły faktycznie dostarczyć do atmosfery wiele bilionów ton węgla. W końcu zgromadziło się go w powietrzu pięć, sześć razy więcej niż dziś. To wystarczyło do podniesienia temperatur o 5–8°C – relacjonował Jones, potwierdzając wcześniejsze wyliczenia grupy Fostera.

Najnowsze wsparcie wulkanicznej hipotezy przedstawiły we wrześniu tego roku Bärbel Hönisch i Laura Haynes z Columbia University. Zaczęły niestandardowo od hodowania otwornic w warunkach podobnych do panujących przed 55,6 mln lat i obserwowania, jak mikroorganizmy wbudowują bor w swoje skorupki. Wyniki porównały z analizami otwornic z „czasu apokalipsy”, co pozwoliło im w inny sposób ocenić, skąd mógł pochodzić węgiel, który odpowiadał za skok temperatury. Odpowiedź znów brzmiała: wulkanizm. Przy okazji badaczki wyliczyły, że to, co wulkanom zajęło tysiące lat, nam może zająć najwyżej kilka stuleci, ponieważ w tej chwili wtłaczamy węgiel do atmosfery nawet do ośmiu razy szybciej niż one. „PETM to dla nas przestroga, ale trudno mówić tu o pełnej analogii, bo wówczas potrzeba było około tysiąca lat, aby temperatury podniosły się o 1°C, podczas gdy my ten sam wynik osiągnęliśmy w ciągu stu lat, a w XXI w. narzucone przez nas tempo może być jeszcze szybsze. Bijemy rekord wszech czasów” – zauważa Hönisch.

***

Dziennikarz naukowy specjalizujący się w naukach o Ziemi i dyscyplinach pokrewnych, tłumacz literatury popularnonaukowej. Ukończył geografię na Uniwersytecie Warszawskim. Stały współpracownik „Wiedzy i Życia”.