Värsta växthuskatastrofen

Just nu pågår en av de mest dramatiska förändringarna någonsin på jorden. Människan påverkar planeten allt mer och allt snabbare. Vi tränger undan andra arter och kan komma att ändra jordens klimat genom utsläpp av koldioxid och andra växthusgaser.

Vi har mycket att lära av en superväxthuskatastrof som inträffade för 55 miljoner år sedan, vid gränsen mellan de geologiska epokerna paleocen och eocen. Det var under den tidsperiod då jorden senast var isfri vid polerna, nämligen tidig paleogen för 65-45 miljoner år sedan. Den omfattade epoken paleocen och första halvan av eocen.

Då fanns redan en stor del av nutidens djur- och växttyper. De flesta av de djurarter som hade uppstått tidigare dog ut i samband med att en gigantisk himlakropp för 65 miljoner år sedan slog ner på Yucatanhalvön i nuvarande Mexiko. Bland dem som dog ut fanns dinosaurierna. Däggdjuren, som tidigare levt i skymundan, kunde nu fylla de ekologiska nischer som dinosaurierna lämnade efter sig. Även i havet förändrades djurlivets sammansättning och blev mer likt det vi har i dag.

Att jorden var varmare under tidig paleogen vet vi genom studier, bland annat av sediment i hav och sjöar på breddgrader nära polerna. I stället för spår av nedisningar hittar man fossil av djur och växter som i dag lever betydligt närmare ekvatorn. Palmer är vanliga i tidig-paleogena lager så långt norrut som Kamchatka i östra Sibirien. Fossil av alligatorer och sköldpaddor finns i tidig-paleogena avlagringar på ön Ellesmere väster om norra Grönland, cirka 80 grader nordlig bredd. Dessa fynd visar att någon långvarig frost inte förekom på vintern.

Tropiskt i Nordeuropa

Även i nordvästra Europa hittar vi lämningar efter en subtropisk till tropisk fauna och flora från denna tid. Pytonormar, krokodiler och tropiska insekter och växter är vanliga fossil i avlagringar från den förhistoriska Messelsjön i Tyskland. Djurfossilen i de förstenade bottensedimenten är så perfekt bevarade att man till och med kan identifiera färger på skalbaggsvingarna. I de fossila binas pollensäckar kan man artbestämma pollenkorn och därmed vilka blommor bina besökte. Fossila röda blodkroppar i ödlors blodkärl har påträffats, och på bevarade löv kan man identifiera olika insektsangrepp. Sammantagna ger dessa fossil en nästan lika bra bild av klimatet som om det varit en nutida sjö som studerades.

Varför var det då varmare under tidig paleogen? Var det på grund av växthusgasen koldioxid? Nej, undersökningar av bland annat löv tyder på att koldioxidhalterna var desamma som i dag. Från experiment med nutida växter vet vi att antalet klyvöppningar på bladens yta minskar när koldioxidhalterna i den omgivande luften ökar. Studier av löv från tidig paleogen visar att antalet klyvöppningar var detsamma som på nutida löv.

Vattenånga är faktiskt en ännu effektivare växthusgas än koldioxid, och en teori gör gällande att atmosfären höll högre luftfuktighet under tidig paleogen än i dag. Detta skulle bero på att större områden av världshaven var utsatta för kraftig avdunstning. Exempelvis låg Afrika betydligt längre söderut, och där Sahara ligger i dag fanns öppet hav som var utsatt för intensiv avdunstning.

Superväxthuskatastrofen

Men under en mycket kort period, cirka hundra tusen år, var koldioxidhalterna i atmosfären kraftigt förhöjda. Det var då som superväxthuskatastrofen inträffade, för 55 miljoner år sedan i en redan varm värld. Växthuseffekten var så stark att jordens medeltemperatur blev högre än någonsin under de senaste hundra miljoner åren.

Under de senaste tjugo åren har forskningen om denna viktiga händelse i jordens historia gjort revolutionerande framsteg. Katastrofen åstadkom dramatiska förändringar i jordens djurliv. Märkligt nog var det två väsensskilda djurgrupper som påverkades mest: däggdjuren på land och mikroskopiska skalamöbor på djuphavens bottnar.

Genombrottet för tjugo år sedan kom genom studier av borrkärnor från djuphavens bottnar. I dem finns fossil av skalbärande mikroskopiska organismer som levde i oceanerna under tidig paleogen. I takt med att de dog föll deras skal ner på bottnarna och bäddades in i sedimenten. En av de vanligaste skaltyperna, som man hittar i borrkärnor från djuphaven, kommer från så kallade foraminiferer. De är encelliga amöbor som bygger kalkskal, vilka oftast är ett par tiondels millimeter i diameter. Olika arter av foraminiferer lever på olika djup i vattnet, och en del arter lever på oceanbottnarna.

Studierna av borrkärnorna visade att de arter av foraminiferer som levde på stora djup (mer än ett par tusen meter) drabbades av ett plötsligt massutdöende för 55 miljoner år sedan. Nästan hälften av dessa arter dog ut helt, medan de arter som levde nära vattenytan inte drabbades.

Detta var märkligt. De allra djupaste delarna av världshaven har ansetts vara en mycket stabil miljö. De djuplevande arterna hade ju klarat sig i stort sett oberörda ur den livskris som tio miljoner år tidigare hade utplånat dinosaurierna och orsakat massutdöenden bland de arter av foraminiferer som levde nära havsytan.

Isotoper avslöjar klimathistoria

På 1990-talet skedde sedan en rad upptäckter i snabb följd. Den viktigaste gjordes av James Kennett och Lowell Stott vid University of California, Santa Barbara, i USA. I en borrkärna från ett område strax utanför Antarktis kunde de konstatera att de djuplevande foraminifererna dog ut inom loppet av högst ett par tusen år. En extremt kort tid i geologiskt perspektiv.

De upptäckte också att massutdöendet sammanföll i tiden med en kraftig uppvärmning av vattenmassan. Temperaturen på 2 000 meters djup utanför Antarktis steg plötsligt från 9 till 16 grader, och i ytvattnen steg den från 14 till 21 grader. Efter hundra tusen år hade temperaturerna fallit tillbaka till nivåer som rådde före massutdöendet.

Det kan förefalla fantastiskt att forskarna kan mäta temperaturskiftningar i oceanerna för 55 miljoner år sedan. Det är dock fullt möjligt och görs genom att man undersöker isotopsammansättningen hos de fossila kalkskalen (isotoper är oliktunga varianter av samma grundämne). När foraminifererna byggde upp sina kalkskal för 55 miljoner år sedan använde de syre- och kolatomer från den omgivande vattenmassan. Och förhållandet mellan isotoperna syre-18 och syre-16 i skalen hänger ihop med temperaturen i vattnet. Ju varmare vattnet var, desto mer syre-16 byggdes in i skalens kalk och desto mindre syre-18. I dag kan vi lösa upp skalen i syra och med hjälp av en så kallad massspektrometer mäta isotoperna. Därmed får vi ett exakt mått på hur varmt det var på olika djup i havet när djuren levde för många tiotal miljoner år sedan!

Väldiga mängder koldioxid tillfördes

Bakom denna plötsliga uppvärmning kan bara ha legat en enorm tillförsel av koldioxid till atmosfären och världshaven, en händelse som James Kennett och Lowell Stott kunde utläsa ur förhållandet mellan två andra isotoper i foraminiferernas skal, kol-12 och kol-13. De såg att skalen från de djur som levde under den extremt varma perioden, just i samband med massutdöendena, hade markant högre halter av den lätta isotopen kol-12 än de som levde före och efter värmeperioden. Den kortvariga och mycket kraftiga höjningen av kol-12 i förhållande till kol-13

i samband med värmekatastrofen kan endast förklaras av att väldiga mängder kol rikt på den lätta kolisotopen tillfördes haven och atmosfären.

Under 1990-talet styrktes dessa resultat genom mätningar på många andra platser på jorden. Bland annat har forskare hittat fossila löv från denna korta värmeperiod med mycket färre klyvöppningar än i löv från vår tid, vilket bekräftar att koldioxidhalterna var kraftigt förhöjda även i atmosfären. En superväxthuskatastrof hade ägt rum.

Varifrån kom kolet?

Två frågor återstod: varifrån kom det isotopiskt lätta kolet och varför dog de djupbottenlevande foraminifererna ut? Det mest populära svaret på den första frågan är just nu att enorma mängder av så kallade metanhydrater frigjordes ur bottensedimenten i haven.

Metanhydrater utgörs av vattenmolekyler arrangerade runt metanmolekyler. Under normalt höga tryck och vid låga temperaturer är dessa metanhydrater stabila i form av ett slags issörja i sedimenten på havsbottnarna. Men om det blir varmare frigörs metanet och oxideras till koldioxid i vattenmassan. En del av koldioxiden förblir löst i vattnet, medan resten transporteras till atmosfären där den alltså utgör en kraftfull växthusgas.

Metanet bildas ursprungligen i sedimenten när bakterier bryter ner resterna av döda plankton som fallit ner på havsbottnarna. I samband med nedbrytningen anrikas det lätta kolet i metanet, eftersom det är energimässigt fördelaktigare för bakterierna att utnyttja det isotopiskt lätta kolet. Metanhydrater utgör därmed en gigantisk kolreservoar anrikad på den lätta isotopen kol-12, med andra ord just den isotop som blev vanligare i foraminiferernas skal under växthuskatastrofen för 55 miljoner år sedan.

Man räknar med att det i dag finns tio till femton gånger mer kol bundet i metanhydrater i havsbottnarnas sediment än vad som finns i atmosfärens koldioxid. Ända fram till nyligen har man allmänt trott att det kol som är bundet i metanhydrater inte ingår i kolets kretslopp och därför inte kan påverka klimatet. Men mycket tyder på att metanhydraterna då och då kan dras in i detta kretslopp.

Många forskare tror nu att det som hände för 55 miljoner år sedan var att en självaccelererande process startade. Kanske ledde ett vulkanutbrott med koldioxidutsläpp till ett något varmare klimat. På grund av detta blev världshavens bottenvatten svagt varmare, och metanhydrater började sönderfalla. Växthuseffekten förstärktes av det frigjorda metanet, det blev ännu varmare och ytterligare metanhydrater föll sönder och så vidare.

De moderna däggdjuren träder fram

Detta skulle också kunna förklara varför de djuplevande foraminifererna dog ut. En växthuseffekt skulle innebära att de kalla bottenvattnen i världshaven blir varmare. Ju varmare vattnen är, desto mindre syre kan de innehålla. En rimlig förklaring skulle därför vara att de djuplevande foraminifererna dog ut på grund av syrebrist när bottenvattnen blev varmare.

Under paleocen, som omfattar de första tio miljoner åren efter himlakroppsnedslaget på Yucatanhalvön, härskade en arkaisk däggdjursfauna på land. Det var små primitiva arter, sällan större än en tamkatt.

Vid gränsen mellan paleocen och eocen för 55 miljoner år sedan inträffade en av de viktigaste förändringarna i däggdjurens drygt 210 miljoner år långa historia. På land uppträdde nu för första gången uddatåiga och partåiga hovdjur, samt våra förfäder, de första äkta primaterna. Till de uddatåiga hovdjuren hör i vår tid hästar, noshörningar och tapirer. Typiska nutida partåiga hovdjur är giraffer, kameler och hjortar.

Denna plötsliga förändring i däggdjursfaunan vid paleocen-eocengränsen har varit känd sedan början av 1900-talet. Under lång tid trodde forskarna att förändringen i däggdjursfaunan och massutdöendet bland de djupbottenlevande foraminifererna var olika händelser, som inträffade med några hundra tusen års mellanrum. Det fanns helt enkelt inte någon tillförlitlig metod att datera de båda händelserna med tillräckligt hög precision för att avgöra om de inträffade samtidigt eller inte. Fossil av landlevande däggdjur och djuplevande foraminiferer påträffas ju aldrig i samma sedimentära avlagringar.

Förändringarna var samtidiga

Problemet löstes dock på genialt vis av Paul Koch och Jim Zachos vid University of California, Santa Cruz. Eftersom det sker ett ständigt utbyte av koldioxid mellan haven och atmosfären, leder en förändring av sammansättningen i kolisotoper i havet till motsvarande förändring i luften och tvärtom. Koch och Zachos studerade däggdjursfossil från flodavlagringar i Wyoming och mätte kolisotoper i tänder från växtätande däggdjur som levt före, under och efter den tidpunkt då de moderna däggdjuren först uppträder. Däggdjur äter växter som tagit upp sitt kol från atmosfärens koldioxid. Om sammansättningen av kolisotoper förändras i atmosfären, så blir också växternas och däggdjurständernas sammansättning av kolisotoper förändrad. Resultaten visade att de tänder från däggdjur som levde just i samband med de mest intensiva förändringarna i faunan hade betydligt högre halt kol-12 än de som levde före och efter denna händelse. Detta visar att förändringarna både bland foraminifererna i djuphaven och bland däggdjuren inträffade i samband med den kortvariga växthuskatastrofen, med andra ord att de var samtidiga.

Det är fascinerande att tänka sig att de moderna däggdjuren – däribland människans förfäder – behövde hjälp av två katastrofer för att skapa sig livsrum: först ett asteroidnedslag för att tränga undan dinosaurierna och sedan en växthuskatastrof för att tränga undan de primitiva däggdjuren.

Det märkliga är att de moderna däggdjuren tycks dyka upp som från ingenstans överallt i världen just när växthuskatastrofen inträffar. En berömd däggdjurspaleontolog skämtade nyligen vid en konferens om att dessa däggdjur måste ha blivit nersläppta på jorden från ett flygande tefat. Varför just en växthuskatastrof skulle främja en modern däggdjursfauna förstår vi inte. Kanske utvecklades däggdjuren i själva verket gradvis redan under paleocen men levde isolerat i ett okänt område någonstans i den varma tropiska zonen. I och med att hela jorden blev varmare blev det kanske möjligt för dessa djur att spridas globalt och även över landbryggor mellan kontinenterna på breddgrader närmare polerna.

Studierna av växthuskatastrofen för 55 miljoner år har redan givit oss viktiga insikter. En sådan är att ju längre från ekvatorn, desto mer ökade temperaturen. I tropikerna var förändringen marginell. Att polerna är mer känsliga för klimatförändringar bekräftas av våra studier av klimatets långsiktiga utveckling de senaste 100 miljoner åren. Klimatet i den tropiska zonen har varit stabilt med obetydliga förändringar under årmiljonernas lopp. Vid polerna däremot har det svängt från palmer och krokodiler i tidig paleogen till isbjörnar och istäcken i vår tid.

Växthusklimat och framtiden

Meteorologiska datormodeller av en framtida växthusvärld visar precis samma sak – att temperaturökningen kommer att bli högre med ökat avstånd från ekvatorn. Detta innebär att de första tecknen på en annalkande växthuseffekt torde komma i form av varmare klimat allra längst i norr och söder.

Den vetenskapliga debatten om huruvida Arktis har blivit varmare eller inte är därför intensiv just nu, och i nyhetsmedierna kan man se helt motstridiga bilder. Flera noggranna vetenskapliga sammanställningar som jag tagit del av har dock övertygat mig om att någon växthusrelaterad kraftig uppvärmning ännu inte har skett i Arktis. Gemene man skulle nog också hålla med mig att det är ungefär lika kallt i Kiruna och Sibirien nuförtiden som det var för femtio år sedan.

En annan viktig insikt är dock att klimatet kan förändras språngvis snarare än gradvis. Vid gränsen mellan paleocen och eocen ledde troligen ett litet koldioxidutsläpp till att en tröskel passerades. Efter detta följde en skenande växthuseffekt. Det är möjligt att den lilla förhöjning av koldioxid som vi har i atmosfären i dag kan utlösa någon annan process som gör att det globala klimatsystemet plötsligt skenar i väg. Metanhydrater skulle kunna börja frigöras från bottensedimenten även nu och utlösa en accelererande växthuseffekt.

En tredje kunskap från gränsen mellan paleocen och eocen är att jordsystemet tycks kunna reparera sig självt. Av någon ännu okänd anledning återgick koldioxidhalterna till de normala inom loppet av hundra tusen år. En hypotes är att när den biologiska produktiviteten ökade kom mer koldioxid att bindas i organiskt material, som sedan begravdes som kol i sedimenten. Detta skulle i så fall vara i linje med den så kallade Gaiahypotesen som lades fram av den brittiske naturforskaren James Lovelock i början av 1970-talet. Enligt denna tankegång regleras jordens klimat i viss mån av biosfären, det vill säga av jordelivet självt. Lovelocks hypotes har debatterats intensivt och delvis uppfattats som kontroversiell. Man kanske kan säga att det enda som är helt säkert är att jordens klimatsystem är mycket komplext.