ΙΟΥΛΙΟΣ 2017
Προχωρούμε για μια έκτη εξαφάνιση;
Η σταθερότητα της ζωής στη Γη εξαρτάται από τους βιογεωχημικούς κύκλους του άνθρακα, οι οποίοι με τη σειρά τους εξαρτώνται από τα ελάχιστα κατανοητά μικροβιακά οικοσυστήματα.
Από τους Daniel H. Rothman, Samuel A. Bowring, Kerry A. Emanuel, Raffaele Ferrari, Nigel D. Goldenfeld, Simon A. Levin, Daniel J. Repeta και Forest Rohwer
ΦΑτα τελευταία 500 εκατομμύρια χρόνια, περισσότερα από τα τρία τέταρτα των ζώντων ειδών εξαφανίστηκαν σε μαζικές εξαφανίσεις. Κάθε ένα από αυτά τα συμβάντα (βλέπε Πίνακα 1) σχετίζεται με μια σημαντική αλλαγή στον κύκλο άνθρακα της Γης. Ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι η περιβαλλοντική αλλαγή που προκαλείται από τον άνθρωπο – συμπεριλαμβανομένης της μαζικής απόρριψης άνθρακα στην ατμόσφαιρα – μπορεί σύντομα να προκαλέσει μια έκτη σημαντική εξαφάνιση. Είναι μια τέτοια καταστροφή πραγματικά δυνατή;
Η αναπνοή δεν είναι ούτε ορατή ούτε καλά κατανοητή.
Το κλειδί για την απάντηση αυτής της ερώτησης έγκειται στην αναγνώριση ότι το φυσικό περιβάλλον της Γης και η ζωή που υποστηρίζει αλληλεπιδρούν συνεχώς ως ένα στενά συνδεδεμένο σύστημα. Ο πυρήνας αυτής της αλληλεπίδρασης είναι ο κύκλος άνθρακα. Τα φυτά και οι μικροοργανισμοί, τόσο στην ξηρά όσο και στα επιφανειακά στρώματα του ωκεανού, λαμβάνουν διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα και «στερεώνουν» τον άνθρακα σε οργανική ύλη μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης. Άλλοι οργανισμοί – κυρίως τα μικρόβια, αλλά και τα ζώα και οι άνθρωποι – μεταβολίζουν την οργανική ύλη, απελευθερώνοντας άνθρακα στην ατμόσφαιρα, μια διαδικασία γνωστή ως αναπνοή. Όμως, ενώ η φωτοσύνθεση είναι ορατή στο πράσινο των φύλλων και τα θεαματικά φύκια ανθίζουν στην επιφάνεια του ωκεανού (βλ. Απεικόνιση των συγκεντρώσεων των ωκεανών χλωροφύλλης), η αναπνοή δεν είναι ούτε ορατή ούτε καλά κατανοητή. Αυτό συμβαίνει επειδή η αναπνοή συμβαίνει σε διαφορετικά μέρη και σε πολύ διαφορετικά χρονικά διαστήματα. Στα επιφανειακά στρώματα του ωκεανού, για παράδειγμα, η αναπνοή συμβαίνει αρκετά γρήγορα – λεπτά έως μήνες. Ένα μικρό ποσοστό οργανικής ύλης διαφεύγει από την υποβάθμιση και πέφτει αργά στον βυθό του ωκεανού, θάβοντας στα ιζήματα, όπου η αναπνοή μπορεί να διαρκέσει χιλιάδες χρόνια. Έτσι, με την πάροδο του χρόνου, πολλά οργανικά άνθρακα συσσωρεύονται στον βυθό του ωκεανού. Και μερικά από αυτά ενσωματώνονται σε ιζηματογενή πετρώματα, όπου το αποτελεσματικό χρονοδιάγραμμα για την αναπνοή μπορεί να είναι πολλά εκατομμύρια χρόνια. Σχεδόν όλα τα ορυκτά καύσιμα που καίμε – πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο – προέρχονται από αυτήν την τελευταία δεξαμενή οργανικού άνθρακα. Ένα μικρό ποσοστό οργανικής ύλης διαφεύγει από την υποβάθμιση και πέφτει αργά στον βυθό του ωκεανού, θάβοντας στα ιζήματα, όπου η αναπνοή μπορεί να διαρκέσει χιλιάδες χρόνια. Έτσι, με την πάροδο του χρόνου, πολλά οργανικά άνθρακα συσσωρεύονται στον βυθό του ωκεανού. Και μερικά από αυτά ενσωματώνονται σε ιζηματογενή πετρώματα, όπου το αποτελεσματικό χρονοδιάγραμμα για την αναπνοή μπορεί να είναι πολλά εκατομμύρια χρόνια. Σχεδόν όλα τα ορυκτά καύσιμα που καίμε – πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο – προέρχονται από αυτήν την τελευταία δεξαμενή οργανικού άνθρακα. Ένα μικρό ποσοστό οργανικής ύλης διαφεύγει από την υποβάθμιση και πέφτει αργά στον βυθό του ωκεανού, θάβοντας στα ιζήματα, όπου η αναπνοή μπορεί να διαρκέσει χιλιάδες χρόνια. Έτσι, με την πάροδο του χρόνου, πολλά οργανικά άνθρακα συσσωρεύονται στον βυθό του ωκεανού. Και μερικά από αυτά ενσωματώνονται σε ιζηματογενή πετρώματα, όπου το αποτελεσματικό χρονοδιάγραμμα για την αναπνοή μπορεί να είναι πολλά εκατομμύρια χρόνια. Σχεδόν όλα τα ορυκτά καύσιμα που καίμε – πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο – προέρχονται από αυτήν την τελευταία δεξαμενή οργανικού άνθρακα. όπου το αποτελεσματικό χρονοδιάγραμμα για την αναπνοή μπορεί να είναι πολλά εκατομμύρια χρόνια. Σχεδόν όλα τα ορυκτά καύσιμα που καίμε – πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο – προέρχονται από αυτήν την τελευταία δεξαμενή οργανικού άνθρακα. όπου το αποτελεσματικό χρονοδιάγραμμα για την αναπνοή μπορεί να είναι πολλά εκατομμύρια χρόνια. Σχεδόν όλα τα ορυκτά καύσιμα που καίμε – πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο – προέρχονται από αυτήν την τελευταία δεξαμενή οργανικού άνθρακα.
Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δισεκατομμυρίων ετών, μεταξύ άλλων σε πολλές εποχές πάγου, ο κύκλος άνθρακα της Γης παρέμεινε ως επί το πλείστον σταθερός. Αυτό σημαίνει ότι η διαδικασία στερέωσης του άνθρακα μέσω της φωτοσύνθεσης και της διαδικασίας αναπνοής παρέμεινε περίπου σε ισορροπία. Αλλά επειδή τα ιζήματα του ωκεανού περιέχουν πολύ περισσότερο άνθρακα από την ατμόσφαιρα – τουλάχιστον 10 φορές περισσότερο – ακόμη και μικρές αλλαγές στους ρυθμούς αναπνοής θα μπορούσαν να έχουν τεράστιο, αποσταθεροποιητικό αντίκτυπο. Μια διακοπή στον κύκλο του άνθρακα που απελευθέρωσε γρήγορα μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα, για παράδειγμα, θα μπορούσε ενδεχομένως να προκαλέσει μαζικές εξαφανίσεις – προκαλώντας μια ταχεία μετατόπιση σε θερμότερα κλίματα, ή οξινίζοντας τους ωκεανούς ή από άλλους μηχανισμούς.

Η συμβατική εξήγηση για αυτό που σκότωσε τους δεινόσαυρους και προκάλεσε την πιο πρόσφατη, μαζική εξαφάνιση του τελικού κρητιδικού ήταν μια τεράστια αστεροειδής επίδραση στη Γη – η οποία σίγουρα προκάλεσε ένα τεράστιο ντους συντριμμιών και πιθανότατα σκοτεινόταν τον ουρανό, ίσως για χρόνια. Αυτή και ορισμένες άλλες εξαφανίσεις σχετίζονται επίσης με μαζικό και εκτεταμένο ηφαιστειακό. Είναι επαρκείς για να προκαλέσουν μαζικές εξαφανίσεις, ακόμη και στα βαθιά ωκεάνια; Σε τουλάχιστον μία περίπτωση, οι υπολογισμοί μας υποδηλώνουν έντονα ότι αυτά τα φυσικά γεγονότα, από μόνα τους, δεν ήταν αρκετά για να εξηγήσουν τις παρατηρούμενες αλλαγές – ότι ό, τι κι αν προκαλούσε επιπτώσεις ρόλου ή ηφαιστειακό ρόλο, άλλοι παράγοντες συνέβαλαν και ενίσχυσαν τις αλλαγές στον κύκλο του άνθρακα. Πιστεύουμε ότι η επιτάχυνση του ρυθμού μικροβιακής αναπνοής πρέπει να είχε εμπλακεί, απελευθερώνοντας έτσι άνθρακα από τις δεξαμενές βαθέων ωκεανών και ιζημάτων.
Περιμένουμε να ανακαλύψουμε ξεχωριστές κατηγορίες συμπεριφοράς που διαχωρίζουν τις πραγματικές αστάθειες από τις πιο σταδιακές περιβαλλοντικές αλλαγές.
Ένα παράδειγμα είναι η μικροβιακή εφεύρεση, περίπου δυόμισι δισεκατομμύρια χρόνια πριν, της φωτοσύνθεσης – με αποτέλεσμα τη μετάβαση από μια ατμόσφαιρα χωρίς οξυγόνο σε μια σταθερή οξυγονωμένη κατάσταση. Αυτό με τη σειρά του επέτρεψε την εξέλιξη της μακροσκοπικής, πολυκυτταρικής ζωής, συμπεριλαμβανομένης και της εμάς. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η εξαφάνιση τέλους-Περμανίας, η πιο σοβαρή στην ιστορία της Γης, η οποία προηγήθηκε αμέσως από μια εκρηκτική αύξηση του άνθρακα στην ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς. Ένα πρόσφατο ερευνητικό έγγραφο αποδίδει την αύξηση του άνθρακα στην ταχεία εξέλιξη ενός νέου μικροβιακού μηχανισμού για τη μετατροπή της οργανικής ύλης σε μεθάνιο, ο οποίος επιτάχυνε την αναπνοή. Και στις δύο περιπτώσεις, η διακοπή του κύκλου άνθρακα οδήγησε ή τουλάχιστον επιταχύνθηκε από την ίδια τη ζωή – μικροβιακή ζωή. Άλλες μαζικές εξαφανίσεις σχετίζονται επίσης με σοβαρή διακοπή του κύκλου του άνθρακα, αν και οι συγκεκριμένοι μηχανισμοί ενεργοποίησης δεν είναι γνωστοί. Αλλά αυτό που φαίνεται σαφές είναι ότι οι μικρές αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο τα μικρόβια αναπνέουν οργανική ύλη μπορούν να έχουν σημαντικό παγκόσμιο αντίκτυπο. Μπορεί οι τρέχουσες ανθρώπινες απελευθερώσεις άνθρακα να προκαλέσουν μια τέτοια αλλαγή, επιτρέποντας στους μικροοργανισμούς να επιταχύνουν τη μετατροπή τους από την τεράστια δεξαμενή θαλάσσιου ιζηματογενούς άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα; Η κατανόηση των μηχανισμών αναπνοής λεπτομερώς – συμπεριλαμβανομένου του βαθιού ωκεανού και των δεξαμενών ιζημάτων του οργανικού άνθρακα – είναι επομένως κρίσιμη για την κατανόηση του δυναμικού για άλλη μαζική εξαφάνιση. Αυτό προτείνουμε να κάνουμε. Μπορεί οι τρέχουσες ανθρώπινες απελευθερώσεις άνθρακα να προκαλέσουν μια τέτοια αλλαγή, επιτρέποντας στους μικροοργανισμούς να επιταχύνουν τη μετατροπή τους από την τεράστια δεξαμενή θαλάσσιου ιζηματογενούς άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα; Η κατανόηση των μηχανισμών αναπνοής λεπτομερώς – συμπεριλαμβανομένου του βαθιού ωκεανού και των δεξαμενών ιζημάτων του οργανικού άνθρακα – είναι επομένως κρίσιμη για την κατανόηση του δυναμικού για άλλη μαζική εξαφάνιση. Αυτό προτείνουμε να κάνουμε. Μπορεί οι τρέχουσες ανθρώπινες απελευθερώσεις άνθρακα να προκαλέσουν μια τέτοια αλλαγή, επιτρέποντας στους μικροοργανισμούς να επιταχύνουν τη μετατροπή τους από την τεράστια δεξαμενή θαλάσσιου ιζηματογενούς άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα; Η κατανόηση των μηχανισμών αναπνοής λεπτομερώς – συμπεριλαμβανομένου του βαθιού ωκεανού και των δεξαμενών ιζημάτων του οργανικού άνθρακα – είναι επομένως κρίσιμη για την κατανόηση του δυναμικού για άλλη μαζική εξαφάνιση. Αυτό προτείνουμε να κάνουμε.
Η απαιτούμενη έρευνα πρέπει να επικεντρώνεται σε τρεις βασικούς στόχους:
-
Προσδιορισμός των κύριων μηχανισμών ελέγχου της αργής αναπνοής στον σύγχρονο κύκλο άνθρακα
-
Προσδιορισμός των μηχανισμών που διέπουν τις μαζικές εξαφανίσεις του παρελθόντος
-
Αποσαφήνιση των συνθηκών ή ενεργοποίηση δυνάμεων που οδηγούν σε αστάθεια και μια νέα ισορροπία
Για τον σύγχρονο κύκλο άνθρακα, το κύριο πρόβλημα αφορά την τύχη του θαλάσσιου οργανικού άνθρακα που αντιστέκεται στην υποβάθμιση για δεκαετίες ή περισσότερο. Δύο δεξαμενές είναι κρίσιμες: διαλυμένος οργανικός άνθρακας, ο οποίος μπορεί να διατηρηθεί για χιλιάδες χρόνια, και ιζηματογενής οργανικός άνθρακας, που μπορεί να διατηρηθεί για εκατομμύρια χρόνια. Οι ανισορροπίες στον κύκλο του άνθρακα καθορίζονται από μεταβολές αυτών των χρονικών κλιμάκων ή των ρυθμών αναπνοής. Αυτοί οι ρυθμοί είναι ιδιαίτερα δύσκολο να προσδιοριστούν πότε οι οργανικές ενώσεις είναι πολύπλοκες ή / και η οργανική ύλη ενσωματώνεται σφιχτά σε ιζηματογενή πετρώματα. Θα χρησιμοποιήσουμε νέα εργαλεία που θα μας επιτρέψουν να μετρήσουμε πώς τα συγκεκριμένα ένζυμα συνδέονται με συγκεκριμένα οργανικά μόρια που βρίσκονται στο θαλασσινό νερό. Και θα κάνουμε ελεγχόμενα πειράματα για να μετρήσουμε πώς τα μικρόβια, η οργανική ύλη και τα μέταλλα αλληλεπιδρούν στα ιζήματα,



Αφήστε μια απάντηση