3. Az ember előtti bioszféra története

3.1. A becsapódások kora

Hogyan alakult ki az a földi bioszféra, mely végül megszülte az embert, aki aztán saját szülőanyjának leigázására tesz napjainkban öngyilkos kísérletet? A történet igen hosszú időt ölel fel, mely emberi ésszel alig fogható fel.

Az egész általunk ismert világ korát ma 12–14 milliárd évesre becsülik. Ebben a mi tejútrendszerünk egyik csillaga, a mi Napunk legfeljebb 5 milliárd éves. Földünk kora mai ismereteink szerint 4,5–4,6 milliárd év. Természettudományos ismeretekkel rendelkező kutatók között ebben ma nincs vita, mivel ez a szám több független, ún. radiometrikus mérésen alapul.

Egy kőzetdarab megszilárdulásának idejét a bennük előforduló, igen lassan bomló radioaktív atomok alapján lehet meghatározni. A káliumtartalmú kőzetek korát például, ha elég öregek, az ún. kálium-argon módszerrel szokták meghatározni. A kálium sugárzó izotópja (40K) ugyanis igen lassan, de folyamatosan átalakul az argon nevű nemesgázzá (40Ar). A bomlás (exponenciálisan csökkenő) sebességét az ún. felezési idővel adják meg, mely azt az időt jelenti, amely alatt a 40K atomok fele már elbomlott, átalakult argonná. A szilárd kőzetből a nemesgáz nem tud eltávozni, így a felezési idő ismeretében a 40Ar/40K arányból kiszámítható a keletkezés (megszilárdulás) ideje. A frissen megszilárdult lávában ez az arány nulla (mivel gyakorlatilag még nincs benne argon), 1,3 milliárd év elmúltával (ennyi a 40K felezési ideje) már ugyanannyi 40Ar atom lesz, mint 40K, az arány 1:1. 2,6 milliárd év után már az eredeti 40K atomoknak csak 1/4-e marad változatlanul (újabb felezés történt), így az arány 3:1 az argon javára.

A kormeghatározás sokféle más sugárzó elemmel is történhet, melyek felezési ideje igen eltérő lehet. Vannak nagyon gyorsan bomló elemek, melyek a másodperc töredéke alatt feleződnek, míg például a rubidium-stroncium átalakulása 50 milliárd éves felezési idővel rendelkezik. Földünk felszíne állandó átalakulásban van. Amióta a kontinensvándorlás tana általánosan elfogadottá vált, tudjuk, hogy a Föld kérge hatalmas táblákból áll, melyek helyenként szétcsúszva új kéreggel egészülnek ki, míg másutt egy másik kéregdarab alá csúszva, megolvadva semmisülnek meg. Ezért Földünk kérge legtöbb helyen jóval fiatalabb, mint a Föld kora; a 3 milliárd éves kőzet ugyancsak ritka. Ugyanakkor a Holdon, melynek nincs ilyen kéregdinamikája, zömmel igen öreg, köztük 4,5 milliárd éves kőzeteket határoztak meg.

Földünk koráról a 19. század végéig híres viták folytak. James Ussher írországi érsek 1654-ben a Biblia alapján, James Hutton skót geológus a felszíni formák eróziója, mállása és az üledékképződés sebességének vizsgálatából, míg a 19. század második felében Charles Darwin az evolúciós változások időigényével próbálta az időt megbecsülni.

Usshernek volt a legkönnyebb dolga. A bibliai kronológiából pontosan megadta a választ. A teremtés Kr. e. 4004. október 26-án délelőtt 9 órakor volt. Hutton ezt valószínűtlennek vélte. Az ő becslése szerint Földünk legalább néhány tízmillió éves. Darwin még hosszabb időt, több milliárd évet tartott szükségesnek az élővilág mai gazdagságának kifejlődéséhez.

Darwin kortársa, a Glasgow-i Egyetem nagytekintélyű, magabiztos fizikusa, Lord Kelvin (akkori nevén W. Thomson) nem sokra becsülte Darwin tudományát. A tudomány szerinte ott kezdődik, ahol számolni, mérni lehet. A szubjektív megérzések szerinte semmit sem érnek. Lord Kelvin, a termodinamika atyja – aki többek között a Magyar Tudományos Akadémiának is tiszteletbeli tagja, s akinek nevét ma is őrzi az abszolút hőmérsékleti skála – mérések és számolások alapján adta meg Földünk életkorát. Ekkor már ismert volt, hogy a Föld belseje felé hogyan nő a hőmérséklet (geotermikus grádiens), mekkora a Föld tömege, felszíne és a Naptól való távolsága. Kelvin feltételezte, hogy keletkezése idején a Föld teljesen megolvadt, 3850°C hőmérsékletű volt, s kiszámította, hogy a mostani hőmérsékletre történő lehűléshez legfeljebb 100 millió évre volt szükség.

Darwin és az őt támogató földtani szakemberek ezt elfogadhatatlanul rövid időnek vélték, de Kelvin számolásába nem tudtak belekötni. A „szubjektív érzésekre”, természeti megfigyelésekre alapozott becslés végül is mégis közelebb járt az igazsághoz. Ennek oka nem számítási hiba volt, hanem az ismeretek hézagossága. Kelvin ugyanis nem vehette figyelembe a később felfedezett radioaktivitás hőtermelését. Ugyanez a felfedezés vezetett jóval később a radioaktív izotópos kormeghatározás felismeréséhez, s ezzel a már említett 4,5 milliárd éves Föld általános elfogadásához. Ez azonban természetesen nem azonos a bioszféra életkorával, hiszen ekkor még élet sem lehetett a Földön.

Földünk a korai Napot körülvevő porfelhőből jött létre. Ennek tömörüléséből előbb változatos méretű bolygókezdemények alakulhattak ki, melyek egyre nagyobb gravitációs terükkel újabb szilárd meteoritdarabokat gyűjtve növekedtek. A tömeg gyarapodásával a becsapódások erőssége is fokozódott. Valószínű, hogy a korai Földből egy ilyen rendkívüli méretű ütközés vezetett a Holdunk kiszakadásához is. A sűrű becsapódások talán 10–100 millió évig tartottak, s ezzel a Föld mai tömegének zöme összegyűlt. A folyamat során felszabaduló óriási energia megolvasztotta a szilárd anyagot, mely így fajsúly szerint rétegződve vezetett a később megszilárdult Föld kéreg-köpeny-mag tagolódásához.

A tömörülés, majd a megolvadás eredményezte a Föld első tartósabb, ún. gőzatmoszféráját is, mely az adszorbeált gázok kipréselődéséből, ill. jégmeteoritok elpárolgásából képződött. Összetételében a vízgőz mellett valószínűleg a szén-dioxid és a nitrogén dominált, de jelentős lehetett a szénmonoxid is. A még mindig érkező vasmeteoritok a gőzatmoszférával reakcióba lépve hidrogéngázt is fejleszthettek, ez azonban nem maradhatott tartósan a légkörben, mivel ehhez a Föld gravitációs ereje kevés volt. Emellett még sok más gáz is jelen lehetett kisebb mennyiségben, köztük olyanok is, amelyek az élet kialakulásához vezető bonyolultabb szén- és nitrogéntartalmú vegyületek alapanyagai lehettek.

A becsapódások közben egyre ritkábbakká váltak, hiszen a meteoritok és kisbolygók anyagának zöme bolygókká állt össze. A hőtermelő ütközések csökkenésével megindult a Föld lehűlése, melynek következtében a gőzatmoszférából kicsapódott a már szilárd felszínt beborító víz. Mindez Földünk történetének kb. az 500 milliomodik évében, azaz 4 milliárd évvel ezelőtt történt.

Ha bolygónknak nem lett volna különleges légköre, a lehűlés tovább folytatódott volna, s olyan jéggolyóvá fagyott volna, mint amilyen ma a Jupiter egyik holdja, az Európa. Ekkor ugyanis Napunk még kisebb volt, s több mint 25%-kal halványabban sütött. E tényre a 20. század közepén az asztrofizikusok mutattak rá a mi Napunk tömegével nagyjából megegyező más csillagok tanulmányozásából. A csillagok (és a mi Napunk) fényét, sugárzó energiáját adó magfúzió, a hidrogénbombaként mindenki által rettegett nukleáris reakció fokozatosan gerjed be, így régebbi hiedelemmel szemben (lásd Madách: Az ember tragédiája) Földünket nem a kihűlő Nap, hanem ennek pontosan az ellenkezője semmisíti majd meg. Ehhez persze még van pár milliárd évünk.

Szerencsére az ősi légkör összetétele nem engedte tovább hűlni a Föld felszínét, hanem olyasféle módon tartotta melegebben, mint a fólia- vagy üvegtakaró az ültetvényt a gyenge tavaszi napsütésben. A jelenség az úgynevezett üvegházhatású gázok természetéből fakad. Ezek, akárcsak az üveg vagy a fólia, a látható fénysugarakat átengedik, így a felszín melegszik (infravörös tartományban sugároz vissza), ezt a hőt viszont az üvegházhatású anyagok (gázok, üveg, fólia) jelentős mértékben visszatartják, így magasabb hőmérséklet alakul ki.

Miféle gázok tölthették be az üvegház szerepét 4 milliárd évvel ezelőtt? Íme az első aktualitás, tanulság a régmúltból: a szén-dioxid (CO2). Ugyanaz a jelenség, mely ma globális felmelegedéssel fenyeget minket. A halványabb Nap mellett akkor persze ez jól jött, de nem is olyan mértékű többlet széndioxid kellett, mint ma. Számítások szerint akkor a mainál ezerszer, sőt talán tízezerszer több volt az ősi légkör szén-dioxid-tartalma.

Becslések szerint ma a földkéregben és annak felszínén 1023 g szén van, többnyire karbonátok, szerves vegyületek, valamint széntelepek és egyéb szénvegyületek formájában. Ha ez mind CO2-ként a légkörbe kerülne, 80 bar nyomást eredményezne! Reális feltételezések szerint a kéreg szénkészletének legfeljebb 15%-a lehetett 4 milliárd évvel ezelőtt a légkörben, de ez is közel 10 barnak felel meg. Ennyi szén-dioxid – a hasonlóan üvegházhatású vízgőzzel együtt – az akkori gyenge napsütést 85°C-ra erősítette fel. Eléggé kellemetlenül meleg környezet az ilyen. Lehet, hogy ennek a világnak a nyomait őrzik a még ma is élő, igen ősi, extrém hőkedvelő baktériumok, melyek hőforrásokban és az óceánközépi hátság mentén feltörő hőáramlásokban 100°C körüli hőmérsékleten tenyésznek? Nem egészen. Inkább egy kicsit későbbi világból maradhattak ránk, hiszen ekkor még valószínűleg nem volt élet a Földön. Az utolsó kisbolygó méretű becsapódások csak mintegy 3,8 milliárd éve szűntek meg. Ezt a Hold felszínén látható nagyobb „impakt nyomok” korából tudjuk. Kiszámították, hogy egy 440 km átmérőjű „impaktor” az egész világóceánt gőzzé változtatva mintegy sterilizálhatta az élet kialakulása felé bandukoló Földet.

Ám ha a halovány Nappal 85°C-on indult vizes bolygónk története, a fokozódó erővel sugárzó Napunkkal nem látszik túlzottan perspektívikusnak a cseppfolyós víz megmaradása, s ezzel az élet és a bioszféra kialakulása – hacsak nem csökken valahogy az üvegházhatás. Szerencsére pontosan ez történt.

A szén-dioxidszint csökkenését eleinte a víz és a szilikátos kőzetek végezték el. A légkörben képződő esőcseppekben a víz szén-dioxiddal szénsavvá egyesül, mely a szilikátos kőzetekkel érintkezve cserebomlásos kémiai reakcióiban karbonátokká (például mészkő, dolomit) és kovasavvá alakul:

 

 

A folyamatban tehát a levegő szén-dioxidja fogy, karbonátokban temetődik el. Mivel a szénsav-szilikát mállási reakció magasabb hőmérsékleten gyorsabban megy végbe, valószínű, hogy az előbbi 85°C-os hőmérsékleten igen intenzíven működött s néhány tízmillió év alatt a szén-dioxidszint egy nagyságrendnyi lecsökkenésével a Föld hőmérséklete jelentősen visszaesett.

 

3.2. Az első élet

Az élet első megjelenésének idejéről ma is sok vita folyik. Van, aki csaknem a cseppfolyós víz megjelenésével véli egyidejűnek (4 milliárd éve), míg az óvatosabb kutatók csupán a 3,3–3,5 milliárd éves életnyomokat fogadják el. Még a konzervatív becsléssel is feltűnően hamar találkozunk vele, hiszen a szabad szemmel is látható soksejtű élőlények kifejlődéséig még legalább további 2 milliárd évre volt szükség. Ezért aztán néhányan hajlamosak az élet keletkezését valamely más égitestre helyezni, ahonnan a feltételezés szerint már kész baktériumszerű sejtes lények érkezhettek a Földre (pánspermia elmélet). Bár ennek lehetőségét nem lehet teljesen kizárni, elég nehéz elképzelni más égitestek viszonyaihoz adaptálódott élőlény életben maradását a Földön, a hosszú utazásról és a megérkezés csekély valószínűségéről nem is beszélve. Ugyanakkor be kell látnunk, hogy a földi élet kifejlődéséhez csak viszonylagosan rövid ez az idő. Ha a szerves vegyületektől az első baktériumszerű lény kifejlődéséig a 3,8–3,5 milliárd évig tartó időszakot tételezzük fel, ez a 300 millió év több mint amennyi idő ahhoz kellett, hogy a dinoszauruszok alatt futkosó emlős-hüllő átmenetekből a mai emlősállatok, köztük az ember kialakuljon. Ezért a kérdést úgy is feltehetnénk, hogy miért volt olyan lassú az első sejt megjelenése után az evolúciós folyamat? Ennek megválaszolásához viszont már nem csupán az élők szerkezetének, működésének ismerete szükséges, hanem az élők és élettelen környezetük komplex rendszerének megértése is, vagyis a bioszféráé.

Az élet kialakulásának mikéntje nem lehet témája e könyvnek. Az érdeklődő olvasónak John Maynard Smith és Szathmáry Eörs magyar nyelven is megjelent könyveit ajánlom (Az evolúció nagy lépései; A földi élet regénye). Nyilvánvaló, hogy még rengeteg a megoldatlan kérdés, s könnyen lehet, hogy sohasem fogjuk megtudni azt, hogy ténylegesen hogyan is történt az élet keletkezése. Fontos viszont tudni, hogy a már ismert természeti törvényeknek nem ellentmondó, de kis valószínűségű eseményekkel máris vannak elképzelhető hipotézisek. Bárhogyan is volt, 3–3,5 milliárd évvel ezelőtt már baktériumszerű élőlények maradványai mutathatók ki az ilyen korú kőzetekben, melyek annak idején a további 1–1,5 milliárd év alatt radikális környezeti átalakulásokat eredményeztek. A folyamat hátterében egy csodálatos biofizikai-biokémiai folyamat, a fotoszintézis áll, mely azóta is élteti, működteti a földi bioszférát, s benne minket, embereket is.

Az élet egyensúlytól távoli, labilis állapot, melynek fenntartásához energiára van szükség. Az ember és az állatok táplálkozással energiában gazdag szerves vegyületeket, fehérjéket, zsírokat és szénhidrátokat vesznek fel, és az ezek lebontásával nyert energiával működtetik, építik és tartják fenn saját szervezetüket. A fotoszintetizáló növények ezzel szemben energiaforrásként a fényt használják fel, ennek segítségével szintetizálnak energiadús szerves vegyületet (például cukrot, majd ebből keményítőt), s ennek kémiai energiáját hasznosítják testük felépítésére, más anyagok szintézisére.

A mai növények fotoszintézise egy bonyolult szerves vegyület, a levélzöld vagy klorofill segítségével történik egy meglehetősen bonyolult rendszerben. Nagyfokú leegyszerűsítéssel ez a folyamat a következő egyenlettel írható le:

 

 

Szavakban kifejezve: szén-dioxid és víz felhasználásával, fényenergia hatására és a klorofill segítségével szénhidrát (cukor) és oxigén keletkezik. Úgy is mondhatjuk, hogy amennyi szén-dioxidmolekulát felvesz a rendszer, ugyanannyi oxigénmolekulát ad le, vagyis a CO2-t O2-re cseréli le. Egy szőlőcukormolekula, azaz (CH2O)6 szintézise során így 6 molekula cserélődik le.

A fotoszintézis fenti folyamata nyilván sok millió évvel az első bakteriális sejt létrejötte után alakult ki. Korábban így másféle energianyerő folyamattal kellett az élőknek rendelkezni.

A ma élő baktériumok között is sok olyan típus van, amelyek nem szorulnak más élőlényekből származó energiára, hanem szervetlen kémiai környezetükből szerzik azt be (kemoautotrófia). Egyes fajok, például kőzetek repedéseiben akár több száz méter mélységségben is élhetnek rendkívül lelassult életfolyamatokkal, becslések szerint 1–2 évszázadonként osztódva. (A cukros táptalajon, 370°C-os melegben tenyésző colibaktérium ezzel szemben 20 percenként kettőződik meg.) Az is nyilvánvaló, hogy amennyiben az élet a nem biológiai úton keletkezett, bonyolult szerves vegyületekből szerveződve itt alakult ki a Földön, ugyanez az „alapanyag” sokáig táplálékként is szolgálhatott a más élőlények számára.

A mai növényi fotoszintézisnek is számos előfutára létezett és létezik ma is a baktériumok világában. A cianobaktériumok vagy régebbi (téves) nevükön kék- vagy kékeszöld moszatok lettek végül is a legsikeresebbek, mivel csupán olyan anyagokat igényeltek a folyamathoz, mely bőségesen állt rendelkezésre: a szén-dioxid és a víz. Jóval később, a valódi sejtmaggal rendelkező (eukaryota) zöld növények zöld színtestét (kloroplasztisz) is e szervezetek beépülése (szimbiózis) eredményezte (lásd L. Margulis könyve).

Térjünk vissza a fotoszintézis előbb felírt leegyszerűsített egyenletéhez! Láttuk, hogy ennek során a Nap fényenergiájának egy része kémiai energiára fordítódik le. A cukor lebontásával felszabaduló energia más anyagok, például fehérjék, nukleinsavak szintéziséhez szükséges. A lebontásnak két fő típusa van: az oxigénmentes (anaerob) és az oxigénes (aerob). Az előbbi nyilván ősibb módszer, hiszen az oxigén felhasználható mennyiségben csak kb. 2–2,5 milliárd éve áll az élők rendelkezésére. Ugyanakkor ez a módszer nem túlzottan hatékony az energiakinyerés szempontjából. Ez is korlátozója lehetett a korai bioszféra fejlődésének. Az oxigénes légzés lehetőségének kialakulásával egy nagyságrenddel javult a helyzet. Volt azonban egy másik, még komolyabb probléma is; ez a fotoszintézis fényigénye.

Arra gondolnánk, hogy fény bőven állt rendelkezésre, még a némiképp halványabban sütő Nap mellett is. A helyzet azonban szó szerint sokkal sötétebb volt. Valószínűleg csak kb. 10 méterrel a víz felszíne alatt élhettek és fotoszintetizálhattak a cianobaktériumok, mivel még nem volt ózonpajzs, mely csak viszonylag magas légköri oxigénszint mellett jöhet létre. Az ózon, mely három oxigénatom összekapcsolásából keletkezik (O3), kiszűri a minden élőre veszedelmes, sőt halálos kemény ibolyántúli (UV-B) sugarakat. E sugárzás hatására ugyanis örökítő anyagunk, a DNS olyan kémiai átrendeződéseken megy keresztül, mely megakadályozza a genetikai információ leolvasását, átírását és szaporítását a sejtben. Szerencsére mintegy tízméternyi vízoszlop is kiszűri a káros sugarakat, ám az ózonpajzzsal ellentétben a fotoszintézishez szükséges látható fényből is jócskán visszatart. Az élet kialakulása utáni első működő bioszféra tehát ugyancsak visszafogottan, „energiatakarékos” szinten működhetett. Nem csoda, hogy fejlődése nem lehetett túl gyors.

Mindezek figyelembe vételével a változás, vagy ha tetszik, fejlődés, bár csigalassúsággal, de haladt tovább a víz, majd a légkör oxidálóvá történő átalakításában. A szén-dioxid, mint láttuk, fokozatosan lecserélődött oxigénre. De hová lesz a szén? Az élők szerves vegyületeibe – gondolnánk. Ez igaz, de akkor a következő kérdés az, hogy mennyi élőt tud eltartani a véges világóceán ökorendszere az előbb vázolt „mélyvízi”, nyilván nem túl produktív fotoszintézissel? Valószínűleg csak keveset, s ezért aztán ennek megfelelően mindebből csak kevés oxigén keletkezne. Hiába fotoszintetizál évmilliókon keresztül a világóceánban élő cianobaktériumok gyér tömege, ha az elpusztuló vagy elfogyasztásra kerülő sejtjeinek vegyületei az oxigénes légzésben ismét megsemmisülnek:

 

 

Ugyanezen az alapon igaz az az állítás is, hogy a valódi őserdő gyakorlatilag nem termel oxigént, mivel a rendszer egészében a felépítő és lebontó folyamatok, az O2 termelése és fogyasztása egyensúlyban vannak. Többlet oxigén csak akkor termelődik, ha a szénvegyületek felhalmozódhatnak vagy elszállítódhatnak a rendszerből.

Szerencsére ebben az ősi, még csupán a tengerre korlátozódó bioszférában volt legalább egy ilyen lehetőség: a tengerfenék, az elpusztult élők temetője. Ezért aztán a folyamat nem vezetett (egyelőre) egyensúlyhoz, hanem tovább fogyasztotta a légköri szén-dioxidot és termelte az oxigént.

Korábban már láttuk, hogy a szén-dioxid mennyiségének milyen fontos szerepe van Földünk globális klímájának kialakításában. Napunk fokozatosan erősödő sugárzását az üvegházhatás csökkentésével lehetett kiegyenlíteni. Korábban a CO2 csökkentését a szilikátos kőzetek mállása végezte. A fotoszintézissel egy újabb segítőtárs csatlakozott. Nem lesz ez már túl sok?

Valóban, 2,4 milliárd éves kőzeteken olyan nyomokat találtak, amelyekből arra következtettek, hogy azokat a gleccserek csúszó jege okozta. Emlékezzünk arra, hogy a 3,5 milliárd évvel ezelőtti Földön még 85°C hőmérséklet lehetett. Valóban jelentős lehűlés történhetett a jég megjelenéséig a közben erősödő Napunk ellenére! Utána azonban ismét meleg lett a Föld. Hogyan állt vissza az üvegházhatás?

Mind a szilikátos kőzetek mállása, mind pedig a fotoszintézis folyamata lelassul a hőmérséklet csökkenésével, így mérséklődik a CO2 kivonása is a légkörből. Ugyanakkor van visszapótlási lehetőség is. A vulkáni működés során az eltemetett karbonátokból és más széntartalmú rétegekből is szén-dioxid szabadul fel. Ezzel az ellentétes folyamatok csodálatos hőmérséklet-szabályozó mechanizmust alakítanak ki: melegben intenzív mállással és fotoszintézissel fogy a szén-dioxid, ezzel csökken az üvegházhatás, így hidegebb lesz, ettől lelassul a CO2-kibocsátás, amitől nő az üvegházhatás és a hőmérséklet, és így tovább. Ilyen „negatív visszacsatolási” elvek alapján működnek a modern lakások termosztátjai, szabályozott fűtésrendszerei is. A természet ezt már több milliárd éve alkalmazza. Igaz, a felfűtés néha elakadhat, mivel a szén-dioxid-visszapótlás korántsem egyenletes. Ezért (is) jelenhetett meg a jég a 2,4 milliárd éves Földön.

Földünk hőmérsékleti viszonyi valójában sokkalta komplikáltabbak, mint az előbb vázolt szén-dioxidos szabályozás. Napunk sugárzása sem teljesen egyenletes, s emellett több „külső” tényező (például pályaelem-változás) is befolyásolhatja a Földre érkező energia mennyiségét. A légkörben nem csupán a CO2 fontos, mint azt később az emberi hatások elemzésében is látni fogjuk, s lényeges tényező a felszín fényvisszaverő képessége, az ún. albedo hatás is. Ezen keresztül még a kontinensek elrendeződése is komoly következményekkel jár Földünk klímájára. Azt is fontos tudni, hogy sok tényező a CO2-példával ellentétben pozitív visszacsatolással hat, azaz nem fékezi, hanem felerősíti az eltéréseket. Ha a sarki területen nagyobb szárazföld van, csökkenő hőmérséklettel, a hóréteg kialakulása az albedo növelésén át további lehűlést eredményez. Mindebből látható, hogy Földünk korai történetében már kialakult egy szabályozó mechanizmus, ami, ha nem is pontosan és tökéletesen, de többé-kevésbé „élőlénybarát” tartományban tartotta klímánkat, s ebben egyre nagyobb szerepet vállaltak maguk az élőlények.

 

3.3. Oxidáló bioszféra

Az oxigéntermelő fotoszintézis volt valószínűleg az első olyan biológiai folyamat, amely jelentős hatást gyakorolt Földünk korábban élettelen szféráira, előbb a hidroszférára (víztestek), majd az atmoszférára (légkör) is. Az élőlények hatására még a geoszféra (szilárd Föld) kőzetei is változtak. A nagy földi rendszerben a bioszféra már egy korántsem elhanyagolható alrendszerré vált. Az oxigéntermelő folyamattal radikálisan átalakult az egész Föld, s új lehetőség nyílt az élővilág evolúciós kibontakozására az oxigénes légkör és az ózonpajzs révén. Ennek köszönhető, hogy ma vegetáció borítja szinte az egész Földet, megélhetést biztosítva az állatvilág minden fajának, s ezzel nekünk, embereknek is. Mindez természetesen nem ment máról holnapra. Vizsgáljuk meg kissé közelebbről a nagy jelentőségű átalakulás egyes lépéseit.

Az oxigéntermelő fotoszintézis kialakulása előtt a légkörben nem volt jelentősebb mennyiségű molekuláris oxigén (O2). A vízgőz minimális mennyiségű elbomlásával (fotolízis) keletkezhetett ugyan oxigéngáz, de ez a becsapódások korában a vasmeteoritokkal hamar elreagált.

Számos jel mutat arra, hogy egészen a kétmilliárd évvel ezelőtti időig, azaz a Föld történetének első, nagyobbik felében (4,5–2 milliárd évvel ezelőtt) sem a légkör, sem az óceán nem volt oxidáló környezet. Ezt igazolják a pirit- és uranittartalmú üledékek, melyek a 2 milliárd évnél idősebb rétegekben gyakoriak, s melyekről tudjuk, hogy oxidáló környezetben nem keletkezhetnek.

Ennek ellenére már jóval korábbról, 2,5 milliárd éves leletekből meggyőző bizonyíték van arra, hogy az oxigéntermelő fotoszintézis előbb is létezhetett, sőt, már jelentős evolúciós átalakuláson is keresztül ment. Erre az ún. heterocisztes többsejtű cianobaktériumok jelenlétéből következtetnek. Heterocisztes cianobaktériumok ma is élnek. Ezek különleges tulajdonsága, hogy nitrogénkötésre képesek, a légköri nitrogéngáz (N2) felhasználásával például ammóniát, illetve ennek szerves származékait állítják elő. A szintézisben közreműködő enzimek roppant érzékenyek az oxigénre, csak redukáló környezetben működnek. A fotoszintézis viszont, mint láttuk, oxigéntermeléssel jár, így lehetetlenné tenné a nitrogénkötést. E heterocisztes moszatok munkamegosztással oldották meg a problémát. A többsejtű fonál egyik, alakilag is eltérő sejtjéből (heterociszt = másféle sejt) hiányzik a klorofill, itt működik a nitrogénkötés, míg a többi sejt fotoszintetizál. A kétféle sejt termékeit egymás között megosztja.

A nitrogénkötés evolúciós felfedezése azt is jelzi, hogy legalább 2,5 milliárd évvel ezelőtt a felvehető nitrogénvegyületek szűkössége jelentősen korlátozhatta a korai bioszférát. Tudjuk, hogy a nitrogén fontos, nélkülözhetetlen eleme a minden élőben megtalálható nukleinsavaknak és fehérjéknek. A légköri nitrogén kétatomos molekulái (N2) azonban nagyon reakcióképtelenek, így legtöbb élőlény képtelen hasznosítani. Korábban, az élet kialakulásának hajnalán feltehetőleg ammónia-(NH3) vagy ammóniumionok (NH4+) szolgáltak nitrogénforrásként, mely később a gyarapodó élővilággal hiánycikké vált. Lehet, hogy a fotoszintézissel keletkező oxigén is fokozta a hiányt, mivel elreagált az ammóniával.

A földi bioszféra átalakulása az enyhén redukáló jellegűből a maira is jellemző oxidáló állapotúvá egy amerikai tudós, J.F. Kasting vizsgálatai alapján 3 fázisban mehetett végbe.

I. FÁZIS * A légkör és az óceán is lényegében anoxikus (oxigénmentes), az oxigénszint a mainak legfeljebb 10-4 (egy tízezred) része lehetett. Az óceán néhány kivételesen kedvező helyén azonban már léteztek fotoszintetikusan igen aktív biológiai „oázisok”, ahol helyileg jelentősebb mennyiségű oxigén is kialakulhatott, oxidálóvá transzformálva lokális környezetét.

II. FÁZIS * Az előző állapot néhány százmillió éves működésével fokozatosan telítette a korábban reduktív környezet oxigénfelvevő képességét, így az óceánfelszín és a légkör enyhén oxidálóvá vált, míg a mélytengeri zóna továbbra is redukáló jellegű maradt. Erre utal egy érdekes geológiai képződmény, a sávos vagy szalagos vasércformációk megjelenése. Ebben váltakozva fordulnak elő a redukáltabb és oxidáltabb vasvegyületek. Feltételezések szerint ez a kritikus átmeneti fázis viszonylag rövid ideig, talán néhány tízmillió évig tarthatott, s ennek eredményeként a légköri O2-szint a mainak már egy-két százalékára emelkedhetett.

III. FÁZIS * Az oxidáló (aerob) állapot tovább erősödik, s kiterjed a mélytengeri zónára is. Lényegében ez a fázis máig is tart. Közben a légköri oxigénszint a II. fázis ötven-százszorosára emelkedve érte el a mai értékét.

A vizek és a légkör oxidálóvá alakulása eleinte komoly megpróbáltatást jelentett az élővilág számára. Az élet a korábban kialakult oxigénmentes környezetben jött létre, így a kémiailag eléggé agresszív oxigén jelenlétéhez előbb maguknak az oxigént termelő cianobaktériumoknak, majd a többi szervezetnek is alkalmazkodniuk kellett. Azt is mondhatnánk, hogy az oxigén kezdetben szennyező anyagként jelent meg a bioszférában, akárcsak napjainkban például a kén-dioxid a barnaszén tüzelésű iparvidékeken. A hasonlattal azért óvatosan kell bánnunk. A jelenkori légszennyező anyagok legfeljebb néhány száz év alatt váltak globális problémává, ami a legtöbb élőlény evolúciós alkalmazkodásához képest nevetségesen rövid idő. Ezzel szemben az oxidáló környezet kialakulása az I. fázis „oázisaitól” az élőhelyek zömére történő kiterjesztésig, több százmillió évig tartott, s még ma is maradt olyan speciális élőhely (anaerob környezet), ahol az oxigén jelenlétéhez nem alkalmazkodott élőlények fennmaradhattak. A két esemény időskálája között tehát legalább milliószoros (hat nagyságrendnyi) különbség van.

A mai élővilág fajainak túlnyomó többsége ugyanakkor nem csupán eltűri az oxigént, hanem igényli is, s nélküle elpusztul. Ez az állapot jórészt a kétmilliárd évvel ezelőtt alkalmazkodott baktériumok egyik csoportjának köszönhető, melyek felfedezték az oxigén hasznosításának lehetőségét energiadús vegyületek előállítására. Ez vezethetett a baktériumoknál jóval bonyolultabb valódi sejt kialakulásához, a genetikai információ jelentős megnöveléséhez, s tovább a soksejtű növény- és állatvilág kialakulási feltételeinek megteremtéséhez. E hosszú folyamatban az együttélés (szimbiózis) kiemelkedő szerepet játszott, melyről érdekes részleteket tudhatunk meg L. Margulis Az együttélés bolygója című, közérthető stílusban írt könyvéből.

 

3.4. Veszélyes kilengések

Az oxigénes környezet új korszakot nyitott a bioszférában. A légzés kialakításával az élőlények jóval több energiához juthattak, s ezzel az élet jelentősen felgyorsult. A bioszféra fő hajtómotorja, a fotoszintézis is felerősödött, hiszen az oxigénes légkörben egyre több háromatomos oxigénmolekula, ózon (O3) keletkezhetett, mely fokozatosan csökkentette a vízfelszínre érkező ultraibolya-sugárzás erősségét, így az élőlényeknek rövidebb vízoszlop is elegendő lett ennek kiszűrésére. Ha viszont a vízben feljebb jöhettek a fotoszintetizáló szervezetek, több fényhez is jutottak, ezzel hatékonyabban működhettek. Ugyanez több oxigéntermelést, így még erősebb ózonpajzsot is jelentett. Látható, hogy „pozitív visszacsatolásos”, öngerjesztő rendszerben a folyamatok felgyorsulnak, s a moszatok és más fényhasznosító szervezetek a maximális fénykihasználásig növelhetik életterüket. Ez egyben azt is jelenti, hogy a vízoszlopos ultraibolyasugárzás-szűrő végül feleslegessé válik, s elvileg az élőlények a vizet el is hagyhatták, kísérletekbe kezdhettek a szárazföld benépesítésére.

A felerősödő élet nyomait megőrizték a földtörténeti rétegek. A paleontológiai leletek tanúsága alapján tudjuk, hogy kb. 1,6 milliárd évvel ezelőtt a tengeri algák tömege jelentősen gyarapodni kezdett. A domináló cianobaktériumok („kékeszöld algák”) mellett már valódi sejtmaggal rendelkező (eukarióta) zöldmoszatok is lehettek, bár ezek felismerése a kövületekben eléggé bizonytalan.

Az élénkülő élet bizonyára jelentős hatással volt az egész földi rendszerre. Nyilvánvalóan tovább csökkent a légköri szén-dioxid mennyisége, s ezzel az üvegházhatás is. Nem tudjuk biztosan, hogy csupán erre, vagy más hatásra is, de tény, hogy valamikor 700 millió évvel ezelőtt drámai események zajlottak bolygónkon, s mai tudásunk szerint szinte csoda, hogy Földünkön megmaradt az élet. A még ma is sok tekintetben vitatott eseménysor kifejtése az ezredforduló egyik tudományos szenzációja volt, s „Hógolyó Föld” elmélet néven vált ismertté.

A „Hógolyó Föld” teória több megfigyelésből fakadt. Még az 1960-as években, az akkori Leningrádi Geofizikai Obszervatóriumban M. Budyko egyszerű klímamodelljét tanulmányozva rámutatott egy jégkatasztrófa lehetőségére. A korábbi halványabb nap mellett, ha az üvegházhatás egy küszöbérték alá csökken, az olyan lehűlést eredményez, ami mellett jelentősen növekszik a sarki jégsapka bolygónkon. Ennek fényvisszaverő hatása viszont tovább fokozza a lehűlést, míg végül az egész Föld „hógolyó” állapotúvá válik, s az óceánokat mindenütt több száz méteres jégpáncél borítja. Budyko elméletét legtöbben valószínűtlennek tartották, mondván, hogy ilyen feltételek mellett a földi élet valószínűleg elpusztult volna. Az őslénytani leletek viszont az 570–580 millió éves rétegnél észlelt határ után éppen egy robbanásszerű, gyors evolúciós fejlődésről tanúskodhatnak.

Budyko után mégis egyre több, egymástól független geológus, geokémikus és őslénytanos kutatócsoport publikált nehezen magyarázható megfigyeléseket. Megállapították, hogy 750 millió évvel ezelőtt jelentős lehűlés kezdődött, melynek mélypontján gleccserek szállítottak vastag hordalékot az óceánba, még az Egyenlítő környékén is. (A gleccser szállította hordalék felismerhető a jég hatásából.) Mi több, sokszorosan ellenőrizték e hordalékok képződési helyét, és ún. paleomagnetikus módszerrel igazolták egyenlítői keletkezésüket. (A hordalék lerakódása során a bennük levő mágneses ásványok a Föld akkori mágneses erővonalai mentén rendeződnek el. Ez a pólusokon függőleges, míg az Egyenlítőn vízszintes pozícióhoz vezet.)

Hasonlóan nem várt megfigyelés volt az oxigénhiányra utaló vaskiválásos képződmények előfordulása, melyeket eddig csak a 2 milliárd évnél idősebb anoxikus világ rétegeiben találtak.

Még meglepőbb, hogy ez a feltehetően „mélyhűtőszerű” (-50°C), dermesztően hideg állapot hirtelen átváltott egy „szaunaszerű” (+50°C) forrósággá. Erre a hirtelen kicsapódó, vastag, olykor több száz méteres karbonátrétegekből következtettek, melyek a melegedő óceánból váltak ki, mint a vízforraló fazék alján a vízkő. Legalább két ilyen hideg-meleg átváltás történt a százmillió éves periódusban.

Más kutatási eredmények az akkori élővilág működésére is következtetni engednek. A szén 12-es és 13-as atomtömegű izotópjainak felhasználása a fotoszintézisben nem egyforma. A 12-es, könnyebb szén nagyobb arányban hasznosul, s kerül végül az elpusztuló szervezetekkel az üledékbe. Ennek hatására az óceán vize és a légkör a 12-es szénben szegényedik, így a 13-as szén aránya növekszik. A vulkáni működés és az óceánfenéki hőforrások szén-dioxidja ezzel ellentétesen változtat: növeli a könnyebb izotóp arányát. Ha a tengerből kiváló karbonátrétegeket elemezzük, a fentiek alapján következtethetünk a fotoszintetikus produktivitásra. Ha ez intenzív, a vízből kicsapódó karbonátokban nagyobb lesz a 13-as izotóp aránya, ha a működés lecsökken, egyre inkább a vulkáni, illetve hőforrási arány áll vissza.

A karbonátok elemzéséből kiderül, hogy a gleccserhordalék megjelenése előtt a fotoszintézis hirtelen csaknem nullára csökkent. A későbbi „szauna” időszak vastag karbonátrétegeiben hasonló a helyzet, s az algaproduktivitás nyoma csak lassan növekedett az újabb rétegekben. Az élővilág, úgy tűnik, tényleg krízisen ment keresztül. A „mélyhűtőt” éppúgy, mint a „szaunát”, ugyancsak megszenvedte.

Mindezek alapján a bioszféra e drámai időszakának eseményeiről a következő kép kezd kirajzolódni. Valamikor, úgy 750 millió évvel ezelőtt Földünk légkörében az üvegházhatású gázok mennyisége a kritikus szint alá csökkent, amitől a lehűlés a jég és hó fényvisszaverő hatásával erősödve tovább fokozódott. Hó és jég borította az egész Földet, beleértve az óceánok felszínét is. A vastag jégpáncél elzárta az óceánok vizét az oxidáló légkörtől, s lehetetlenné tette az oxigéntermelő fotoszintézist. Az élet fennmaradását több millió éven át csupán a mélytengeri hőforrások kemoszintézisre alapuló ökoszisztémái, és feltehetőleg néhány felszíni refúgium biztosíthatta. Ez utóbbi a jégpáncél időszakos repedéseiből és partközeli aktív vulkáni tevékenységből származó jégmentes élőhelyeket jelenthette. Cianobaktériumok („kékeszöld moszatok”) ezen kívül még a felszínközeli jégben is élhettek. Ezt támasztják alá a mai Antarktisz vastag jégpáncéljában élő algaegyüttesek, melyek intenzív napsütés esetén évenként csupán néhány napra aktív fotoszintézist végeznek az olvadékban, annak ellenére, hogy a külső levegő hőmérséklete sosem emelkedik a fagypont fölé. Ezek a mai jég-alga együttesek további élőlények élőhelyét teremtik meg, így vírusok, baktériumok, egysejtű, sőt néhány többsejtű eukarióta szervezet is él velük együtt. Figyelemre méltó az a tény is, hogy e szervezetek, különösen a cianobaktériumok igen széles hőmérsékleti skálán képesek létezni, így ideálisak egy „mélyhűtő-szauna” váltakozás túlélésére.

Érdekes átgondolni e lehűlési forgatókönyv szereplőinek összjátékát, azaz a szén-dioxid, a hó, illetve jég, az óceán, a vulkánok és az élővilág közreműködését az eseménysorban. Az élők aktív fotoszintézissel és a mélytengeri süllyesztővel csökkentik a levegő CO2-szintjét, véletlenül éppen egy olyan időszakban, amikor a CO2-kibocsátó vulkáni tevékenység gyenge vagy szünetel. Ettől az üvegházhatás mérséklődik, így lehűlés kezdődik. A hidegebb tengervízben a CO2-fogyasztó fotoszintézis is lassul, így negatív visszacsatolást várnánk, ám a hideg víz több CO2-t képes elnyelni, ezzel pedig pozitív visszacsatolás jön létre. Ugyanezt eredményezi a csapadék, mely a lehűléssel egyre több helyen hó formájában hull, így albedo növelésével tovább hűl a Föld. Egyre nagyobb területet borít be a hó és a jég, amitől még tovább hűl a rendszer, s bekövetkezik a „Hógolyó Föld”-állapot, közel -50°C átlaghőmérséklettel.

Érdekes a szaunába való átfordulás forgatókönyve is. A minimálisra zsugorodott nyíltvizű terület mérsékelt párolgása és a jég, illetve a hó gyenge szublimálása (vízgőzzé alakulása) a csapadékképződést a korábbi szint töredékére csökkenti, így évmilliók alatt a jég mozgásával és szublimálásával egyre több hómentes terület keletkezik, csökkentve az albedohatást. A vulkáni tevékenység CO2-produkciója közben erősíti a légkör üvegházhatását, így az előzőekkel fordított irányú öngerjesztő (pozitív visszacsatolásos) folyamatban melegszik a Föld, olvad a hó és jég. Az üvegházhatást a vízgőz is fokozza, s bekövetkezik a „szauna-Föld”-állapot (+50°C), mely a szilikátos mállás és az éledező bioszféra közreműködésével fokozatosan mérséklődik.

Milyen szerencse, hogy nem ebben az időszakban élünk, gondoljuk, s való igaz, az élet bonyolultabb formái, különösen a szárazföldi növények és állatok aligha lennének képesek egy ilyen iszonyatosan kegyetlen, több mint 100 millió évre kiterjedő szélsőséges környezet elviselésére. Persze a megpróbáltatásoknak ezzel még koránt sem volt vége a földi bioszférában, s ne feledjük, jelenleg is egy bizonytalan mértékű globális változás, sőt, a geológiai időskálán joggal katasztrofálisnak is nevezhető esemény felé haladunk. De ne vágjunk a dolgok elébe. Még ki sem léptünk a tengerből a szárazföldre, bár a 4500 millió éves földi történetből már csak alig 600 millió van a jelenig hátra!

 

3. 5. A nagy kibontakozás

A 600 millió év körüli időpont igen jelentős mérföldkő az őslénytan tudományában. A 20. század közepéig csak ennél fiatalabb (maihoz közelebbi) földtörténeti rétegekben találtak élőlénymaradványokat. Mintegy 570 millió évvel ezelőtt szinte egy csapásra rengeteg féle állatmaradvány nyomaival találkozunk. Mint az előzőekben láttuk, ma már nem kétséges, hogy jelentős élet, működő bioszféra volt a jóval korábbi időszakban is, hiszen ennek tulajdonítottuk az oxigénes légkör és az oxidáló óceán kialakulását is. Az akkori élők azonban csupán mikroszkóppal látható, zömmel baktériumszerű szervezetek voltak. Nagyon valószínűtlen, hogy ezekből hirtelen több deciméteres állatok alakultak ki. Ilyenekkel találkozunk ugyanis már az 530 millió éves maradványokban. A kutatók úgy vélik, hogy a makroszkópos méretű élővilág hirtelen fellépése csak látszat. Korábban is létezhetett, csak nem maradt nyoma, azaz nem fosszilizálódhatott, mivel nem volt olyan szilárd váza, amely megőrződött volna a hosszú földtörténeti korok viszontagságaiban. Ezt támasztják alá olyan 1 milliárd év körüli rétegek, melyekben féregszerű állatok járatait vélik felismerni. A biológusok számára még meggyőzőbb bizonyítékokat a ma élő állatokból vett fehérje- és főleg nukleinsavminták elemzéséből kapott (hasonlóságok alapján szerkesztett) törzsfák adják. Ezek alapján az ún. molekuláris órák felhasználásával arra következtetnek, hogy a soksejtű állati szervezet ősi formái már legalább 1,5 milliárd éve kialakultak, s ha valóban volt kritikus „Hógolyó Föld”-állapot, ezt már többféle formában vészelték át. E túlélők némelyike lett azután a további evolúciós elágazások, s ezzel a későbbi változatos élővilág kiinduló pontja.

A mintegy 600 millió éves (egyes szerzőknél 570, másutt akár csak 544 millió éves) fordulópont a további tárgyalás menete szempontjából szintén kritikus. A felgyorsuló evolúciós eseményekkel kifejlődő bámulatos formagazdagság, az élőlények növekvő komplexitása, s különösen a gerincesek, ezen belül az emlősök, ezen belül a főemlősök, ezen belül az emberszabásúak, ezen belül az emberfélék, végül saját fajunk, a „bölcs ember” (homo sapiens) kialakulása mágnes módjára tereli a figyelmünket, vonzza a kutatókat az egyes átalakulások egyre pontosabb leírására, a még hiányzó láncszemek keresésére, a változásokat kiváltó okok értelmezésére. Nem kétséges, az ember a bioszféra jelenlegi és jövőbeli sorsára nézve igen fontos tényezővé vált. Az ide vezető hosszú út során azonban őseink teljesen jelentéktelen szereplői voltak az eseményeknek. A főszerepet napjainkig a fotoszintetizáló növényi szervezetek játszották, hiszen ezek tartották el az egész állatvilágot, s tették lehetővé fennmaradásukat s további evolúciójukat. A bioszféra eseményeinek további tárgyalásában ezért igyekszem – a csábításnak ellenállva – az emberhez vezető evolúciós út taglalása helyett inkább a bioszféra egészének szerveződésére koncentrálni.

Mi tette lehetővé 600 millió évvel ezelőtt az élővilág robbanásszerű fejlődését? Erre a kérdésre nehéz teljes választ adni. Bizonyára sokféle tényező játszhatott közre. Eléggé valószínű azonban, hogy a mélyhűtő-szauna állapotok után a már említett pozitív visszacsatolással gyorsuló fotoszintézis lehetett a legfontosabb. Ettől emelkedett az oxigénszint jóval az ún. Pasteur-szint fölé, s ettől alakult ki s erősödött tovább az élőket védő ózonpajzs is. A Pasteur-szint a jelenlegi oxigénszint (a légkörben 21%) egy százada, amely alatt oxigénes légzés már lehetetlen. A valódi sejtmaggal rendelkező élőlények (s ilyen az összes állat és valódi növény) csak a Pasteur-szint felett képesek élni. A bonyolultabb élőlények magas energiaigényét jórészt az oxigénes légzéssel felszabaduló energia fedezi.

A primitív élet, mint láttuk, meglepően gyorsan megjelent a Földünkön, s ezután a leletek tanúsága szerint külsőleg szinte alig fejlődött (2. ábra). Csaknem 3 milliárd (!) éven át mikroszkopikus méretekben maradt a tengerben, aztán néhány százmillió év alatt az egész Földet benépesítette változatos élőlényekkel, köztük 40 méteres fákkal és 25 méteres sárkánygyíkokkal! Mindez aligha következett volna be a mikroszkopikus méretű fotoszintetizáló moszatok és baktériumok hosszan tartó (legalább 2 milliárd éves) szorgos tevékenysége nélkül, mellyel megteremtették a lehetőséget a szárazföld benépesítéséhez. Ez konkrétabban a hatékony ózonpajzzsal valósult meg, melynek kialakulásához a légköri oxigén szintjének a mainak legalább egy tizedére kellett emelkednie.

 

2. ábra
Az élővilág fontosabb eseményei a Föld keletkezésétől napjainkig

 

Természetesen számos más probléma megoldása is szükséges volt a szárazföldi életmódhoz. Az életfolyamatok „vizes közegének” megőrzése, a kiszáradás gátlása csupán az egyik ilyen feladat. Ennek megvalósulása lehetett az első eredmény. Ily módon a legalább időszakosan nedves felszínen képződő algabevonat jelenthette az első primitív szárazföldi (kétdimenziós) ökoszisztémát, mely alkalmanként a tengerből kimerészkedő ősi növényevőknek is táplálékot teremtett.

A szárazföldi ökoszisztémában a hatékonyabb elsődleges produkciót adó fotoszintetizáló növény eddigi testfelépítése a vízben lebegő életmóddal szemben merőben új konstrukciót igényelt. A levegőben nem lehetett egykönnyen megvalósítani azt a háromdimenziós fénykihasználást, amit a vízben. Ez utóbbi közegben a mikroszkopikus méretű lebegő algák tömege többször tízméteres felszínközeli vízrétegben eloszolva hatékonyan fogja fel a fotoszintézishez szükséges fényt. Ezt a rétegezettséget a szárazföld feletti levegőben csak speciális rögzítő-szilárdító szerkezetekkel, s ezekhez vezető víz- és tápanyagszállító rendszerekkel lehetett megvalósítani. Így alakultak ki a hajtásos növények, melyeknek mai képviselőiben a levél, a szár és a gyökér elkülönült struktúrái biztosítják a szintekre tagolódást, s ezzel a hatékonyabb élőhelykihasználást a háromdimenziós térben. E struktúrák fenntartása, működtetése ugyanakkor jóval több energiát igényel, mint a vízben lebegő életmód, így az állatok és más heterotróf (szerves tápanyagot igénylő) szervezetek számára relatíve kevesebb tápanyag adható tovább. Ennek látható következménye a növényzet dominanciája a szárazföldön az állatokkal szemben. A tengerben ennek fordítottját észleljük. A növényi (zömmel láthatatlan egysejtű algák) és baktériumok élőtömegénél jóval nagyobb az állatok tömege, ami csak úgy lehetséges, hogy az algák gyorsan szaporodnak, mivel a fotoszintézissel megkötött energia (bruttó produkció) csekély hányadát fogyasztják el légzéssel, így a maradék jelentős mennyiségben növekedésre, szaporodásra szolgál, illetve a növényevők és lebontók számára biztosít megélhetést.

A szárazföld benépesítése 400–500 millió év közötti időszakra tehető, s 300 millió évvel ezelőtt már olyan hatalmas erdőségek alakultak ki világszerte, hogy a belőlük képződő kőszéntelepek után nevezték e kort Karbon- (szén-) időszaknak. Becslések szerint ekkor keletkezett a Föld összes kőszénkészletének a fele.

Hosszan lehetne tárgyalni Földünk utolsó 300 millió évének eseményeit. A részletek iránt érdeklődő olvasónak Mészáros Ernő (2001) és Pálfy József (2000) kitűnő összefoglalóit ajánlhatom, az ezekben megadott további irodalomjegyzékkel együtt. E rendkívül érdekes és mozgalmas időszakok kivonatos ismertetése helyett itt inkább csak a komplex történések hátterében lévő legjellemzőbb változásokra hívom fel a figyelmet: a lemeztektonikára, a klímaváltozásokra, a biomfejlődésre, az evolúcióra és a katasztrofális kihatásokra. Ezek mindegyike külön tudományterületet is jelent, bár a valóságban mindig együtt alakulnak.

A lemeztektonika a hatalmas lemezekből álló földkéreg dinamikája. A mozgás rugója a mélyebb, ún. köpenyanyag, mely főleg az óceánközepi hátságok mentén feltörve tolja szét az óceánfenéki lemezeket, s közvetve a kontinentális lemezeket az alattuk levő képlékeny rétegen. A lemezek hatalmas méretűek (kontinentális nagyságúak!), vastagságuk kb. 100 kilométer. Ezek összetorlódásával egyik a másik alá gyűrődhet, vagy ha két kontinentális lemez ütközik, mindkettő felemelkedve hatalmas hegységeket alakít ki. Földünk utolsó 10 millió évében így emelkedett ki a Himalája, amikor az indiai lemez délről nekiütközött az eurázsiai lemeznek.

A kontinensek tehát vándorolnak, mozognak, s ez még ma is tart, sőt mérni is lehet e folyamatot. Európa és Észak-Amerika például évenként kb. 15 milliméterrel távolodik egymástól az atlanti hátságnál szétnyíló repedésbe állandóan a mélyből feltörő és megszilárduló magmától. Egyes helyeken intenzív vulkáni tevékenységgel párosul e szétnyílás. Így jött létre Izland szigete is, mely pontosan a két távolodó lemez határán fekszik. Izlandi kollégáim büszkén is mesélték, hogy országuk szélessége évenként közel 2 cm-rel nő, így ezeréves történelmük során ez már 20 méteres távolodást, azaz kb. 7–8 km2 területnövekedést adott.

A kontinensvándorlás azzal is jár, hogy ezek időnként egyetlen szuperkontinenssé gabalyodnak össze, hogy ezután ismét szétcsússzanak Földünk felszínén. Az utolsó ilyen szuperkontinens, a Pangea 250 millió éve létezett, s a jelenlegi szétszórt elrendezésből ugyanennyi év múlva lehet ismét egy újabb nagy találkozás.

A nagy földi rendszer szempontjából mindez igen fontos lehet. A kontinensek egyenlítői vagy sarki elhelyezkedése különösen fontos a jégsapkák albedós hatása miatt. A tengerek mélységét, a szárazföld-tenger arányt, a parti szakaszok kiterjedését, a szárazföldi élővilág elszigeteltségét, gazdagságát mind-mind befolyásolja. A mozgások intenzitása is változik, mely így a vulkánműködések erősségét szabhatja meg. Különösen az óceáni és a szárazföldi lemez ütközésénél alakul ki vulkáni tevékenység, mivel az ilyenkor alábukó és megsemmisülő óceáni lemez olvadéka a növekvő nyomással a felszínre törhet. A vulkáni gázokkal viszont, mint korábban láttuk a CO2 esetében, az üvegházhatás módosulhat, így intenzív tevékenységgel hosszabb távon klímaváltozást (melegedést) okozhat. Azonnali hatásként nagyobb kitörések során a kilövellődő hamu a napsugárzás csökkentésén át néhány éves lehűléshez is vezethet, amire műszeresen regisztrált adataink is vannak az utóbbi 100 évből.

A globális klímaváltozásokra már eddig is többször utaltunk. Ennek hátterében Napunk sugárzási erősödése mellett eddig az üvegházhatást és az albedováltozásokat említettük, melyek további közvetett okokkal kapcsolatosak. További lehetséges klimatikus hatású tényező a Föld Naphoz viszonyított pályaelemeinek változása: bolygónk Nap-körüli keringésének excentricitása és a Föld forgástengelyének „imbolygása”. Ezek játszhattak szerepet az utolsó 2 millió évben váltakozó hideg, glaciális (jégkorszak) és meleg, interglaciális időszakok többé-kevésbé szabályos váltakozásában. Valószínű azonban, hogy e pályaelemekkel kapcsolatos események nem az egyetlen szereplői a klímadrámának. Ehhez a pozitív visszacsatolással felerősítő többi hatás is szükséges volt. Mindenesetre érdekes, hogy bolygónk hőmérséklete hajlamos a viszonylag gyors, ugrásszerű változásokra. Sokan két, viszonylag stabil állapotot és ezek pulzáló váltakozását vélik felismerni a hőmérsékletre utaló közvetett nyomokból. Eszerint hol üvegház, hol pedig hűtőházállapotok voltak a már említett „Hógolyó Föld” teória még szélsőségesebb mélyhűtője és szaunája mellett. Vörösmarty Mihály nem is sejtette, hogy mennyire igazak A vén cigányban írt sorai Földünk történetére:

 

Mindig így volt e világi élet,
Egyszer fázott, másszor lánggal égett…

 

A szárazföldek benépesítésével (antropomorf minősítéssel „meghódításával”) az élet súlypontja a tengerből egyre inkább a szárazulatokra helyeződött át. Ma is itt él a fajok nagyobbik hányada, s az ökoszisztémák aktivitását jelző, területegységre vonatkozó nettó, elsődleges produkció is itt magasabb. A szárazföldön a benépesíthető helyek nagyobb változatossága állt rendelkezésre a kiegyenlítő hatású vizes közeggel szemben. Mindez többféle speciális alkalmazkodást, vegetációs övek kialakulását, a korlátozottabb mobilitással további genetikai elkülönülést eredményezett. Egyre bonyolultabb élőlénytársulások jöttek létre, s ezek nagy, regionálisan jellemző együttesei: a biomok. Ezek száma és változatossága fokozatosan nőtt. Míg a 300 millió évvel ezelőtti Karbon-időszakban alig találunk különbséget Földünk kiegyenlített klímájában a különböző területeken képződött kőszéntelepek fajösszetételében, 200 millió éve már felismerhetően különbözik az északi és a déli félgömb élővilága. Érdekes, hogy a szárazföldi biomdifferenciálódással egyidejűleg a tengerekben élő fajok száma is növekszik. Valószínű, hogy ennek egyik oka lehetett a szárazföldi vegetációval együttjáró talajképződés, és ezzel a tengeri életet korábban limitáló elemek (például foszfor) bemosódása az óceánba. Más szóval, az elemek körforgása az ún. biogeokémiai ciklusokban megélénkült.

Talán szükségtelen is megjegyezni, hogy a biomok változatos differenciálódásához az egyes leszármazási vonalak evolúciós megváltozására volt szükség. A fajok száma a bioszférában igen jelentősen gyarapodott, annak ellenére, hogy az utolsó 500 millió évben 5 nagy kipusztulási hullám söpört végig benne. Ezek gyakran új lehetőséget adtak újabb evolúciós változásokhoz, mivel a korábbi ökoszisztémák rendjét megbontva másféle felépítésére nyílt lehetőség.

E nagy katasztrófák régóta az érdeklődés középpontjában állnak. Ki ne hallott volna a 65 millió évvel ezelőtti sárkánygyíkokat kipusztító meteorbecsapódásról, bár a legnagyobb katasztrófa nem ekkor, hanem a perm időszak végén, mintegy 250 millió éve történt. Ekkor még a tengerekben élő fajoknak is mintegy 95%-a kipusztult.

A 65 millió évvel ezelőtti (krétakor végi) kipusztulások feltételezett fő tettese egy kb. 10 km átmérőjű aszteroid (kisbolygó), mely másodpercenként 5 km sebességgel, 20-30°-os szögben délkelet irányból csapódott a mexikói Yucatán-félsziget peremébe. (A detektívregénybe illő nyomozásról Pálfy József már említett könyvében részletesen is olvashatunk.) Bár az esemény hitelt érdemlő bizonyítékaira, így magára az aszteroidra és a becsapódási hely azonosítására csak a kilencvenes évek egypólusú politikai világában derült fény, a katasztrofális becsapódás lehetősége már jóval korábban vita tárgyát képezte, főleg az ún. irídiumanomália* alapján. Ez kellő illusztrációt adhatott az USA–szovjet fegyverkezési verseny lehetséges következményeihez, egy kiterjedt nukleáris háború ugyanis hasonló környezeti katasztrófát eredményezne a megnövekedett sugárzástól függetlenül, mint a 65 millió évvel ezelőtti becsapódás. A hirtelen felszabaduló hatalmas energia az egész Földet vastag por- és koromfelhőbe burkolja óriási erdőtüzekkel. Az elsötétedő ég alatt jelentős lehűlés indul meg (nukleáris tél), néhány hónapra szinte mindenütt fagypont alá csökkentve a hőmérsékletet. Még kritikusabb, hogy a fotoszintézis globálisan leáll az elegendő fény hiányában, így az egész földi bioszféra tápanyag-lehetősége szűnik meg. Hasonló dolgok történhettek az aszteroidbecsapódás után is, mivel a szénizotópok arányainak megváltozásából a tengeri algaprodukció leállására következtettek a krétakor végi tengeri üledékrétegekben.

A globális pusztulás az élőanyag jelentős részét CO2-vé alakítva juttatta a légkörbe, s ehhez legalább ilyen mértékben adódott hozzá a becsapódási hely vastag mészkőrétegének „mészégetési reakciója” során felszabaduló szén-dioxid. Ezzel a lehűlést hamarosan tartósabb globális felmelegedés váltotta fel (amire az előbbi Vörösmarty-idézet utalt).

Fontos hangsúlyozni, hogy még az általánosan elfogadottnak vehető aszteroid becsapódáshoz kötött krétavégi kipusztulás esetében sem volt közvetlen tényező a terminátor. Nem a meteor csapta agyon a dinoszauruszokat, hanem a nagy földi rendszer közvetett hatásai. A többi nagy kipusztulás kapcsán, főleg a perm–végi, legnagyobb esetében megdöbbentő a lehetséges okok változatossága. Illusztrációként szolgáljon a Pálfy József könyvéből vett ábra (3. ábra), amelyet szinte mindegyik nagy kipusztulás értelmezéseként használhatunk. Kivétel ez alól csupán a legutolsó félszázezer év, melyben a hatodik nagy kipusztulás ma is gyorsuló ütemében egy új veszedelmes terminátor a bűnös, a homo sapiens. Mint látni fogjuk, itt sem a közvetlen gyilkos akció a döntő. Sokkal inkább az áttételes hatások váltják ki a fajok tömeges kihalását.

 

3. ábra
Az ember előtti jelentősebb kipusztulások lehetséges okai (Pálfy, 2000)

 

A földtörténeti korok tanulmányozásának ez egyben különös, figyelmeztető aktualitása. A nagy földi rendszernek a mi fajunk is részese. A komplex rendszerek viselkedését pedig nem könnyű megjósolni! Lehet, hogy a hatodik tömeges kihalás áldozatai közé a mi fajuknak is sikerül beverekednie magát?




Hátra Kezdőlap Előre