Klimaatverandering bedreigde leven op aarde meer dan eens

De wereld vanaf het prille begin

“In het begin schiep God de hemel en de aarde; de aarde was nog woest en doods…” Genesis 1:1

We zouden allemaal dankbaar moeten zijn voor de enorme veranderingen die het klimaat op aarde heeft ondergaan. Zouden er niet miljarden jaren zijn voorbijgegaan met intense activiteit van hemel en zon, met herhaalde inslagen van asteroïden, indrukwekkende vulkaanuitbarstingen, buitengewone atmosferische veranderingen, spectaculaire tektonische verschuivingen en voortdurende biotische aanpassingen, dan zouden we vandaag de dag niet leven. Astrofysici hebben het over bewoonbare gebieden rond sterren die niet te heet en niet te koud zijn: alsof je in de ‘goudlokjeszone’ vertoeft. De aarde is daarbij maar een van talloze voorbeelden. Maar de omstandigheden zijn sinds het ontstaan van onze planeet, zo’n 4,6 miljard jaar geleden, constant en soms op rampzalige wijze veranderd. Gedurende bijna alle jaren dat de aarde heeft bestaan, had onze soort niet kunnen overleven. We zien de mens vandaag de dag als de architect van gevaarlijke milieu- en klimaatveranderingen, maar we profiteren zelf ook van dergelijke transformaties uit het verleden.

De rol die we op deze planeet speelden, was uiterst bescheiden. De eerste Homininen verschenen pas een paar miljoen jaar geleden, en de eerste in anatomisch opzicht moderne mensen (inclusief de neanderthalers) pas rond 500.000 jaar geleden. Wat we van die periode te weten zijn gekomen, is fragmentarisch, moeilijk te interpreteren en vaak uiterst speculatief. Naarmate we dichter bij de moderne tijd komen, wordt de archeologie een betrouwbaardere bron om te begrijpen hoe de mensen hebben geleefd; maar om te weten wat ze deden, wat ze dachten en geloofden, moeten we wachten tot de eerste ontwikkeling van volledige schriftstelsels, circa 5000 jaar geleden.

Om dat in de context te plaatsen: de rekeningen, documenten en teksten die ons in staat stellen het verleden genuanceerd en gedetailleerd te reconstrueren, hebben betrekking op ongeveer 0,000001 procent van ’s werelds verleden. We hebben niet alleen geluk omdat we als soort kunnen bestaan, maar we zijn ook nieuw en nog maar net gearriveerd in het grote geheel van de geschiedenis.

Vergelijkbaar met onbeschaafde gasten die pas op het allerlaatste moment arriveren, zich misdragen en vernielingen beginnen aan te richten in het huis waar ze te gast zijn, is het effect van de mens op de natuur aanzienlijk geweest; het wordt ook steeds groter en stevent razendsnel af op een punt waarop veel wetenschappers gaan twijfelen aan de houdbaarheid van het menselijk leven. Nu is dat op zich niet ongewoon, want om te beginnen is onze soort niet de enige die de wereld om ons heen transformeert: ook andere soorten biotica – dat wil zeggen flora, fauna en micro-organismen – zijn geen passieve deelnemers aan of simpele omstanders bij een relatie die louter en alleen of voornamelijk tussen mens en natuur bestaat. Elke species speelt een actieve rol in veranderings-, adaptatie- en evolutieprocessen – en soms ook met rampzalige gevolgen.

Gedurende ongeveer de helft van de tijd dat de aarde bestaat, was er weinig of geen zuurstof in de atmosfeer. Onze planeet kreeg vorm tijdens een lange periode van accretie – samentrekkende materie – of door een geleidelijke samenklontering van sedimentlagen, gevolgd door een enorme botsing met een ‘meteoriet’ ter grootte van Mars, waarbij zoveel energie vrijkwam dat de aardmantel smolt en er een aanzet werd gegeven tot de atmosfeer; die ontstond uit een reactie tussen een magma-oceaan en een damp die anoxisch was, wat wil zeggen dat deze geen zuurstof bevatte.

De bio-geochemische kringlopen op aarde zijn uiteindelijk uitgelopen op een radicale verandering. Hoewel er nog veel discussie gaande is over hoe, wanneer en waarom de productie van zuurstof door middel van fotosynthese plaatsvond, zijn er bij organische biomarkers, in fossielen en op basis van gegevens op genoomschaal, aanwijzingen gevonden dat cyanobacteriën [blauwalgen, vert.] zo zijn geëvolueerd dat ze energie uit zonlicht hebben opgenomen en die hebben gebruikt om uit water en koolstofdioxide suikers te maken; als bijproduct kwam hier dan zuurstof vrij. Nieuwe modellen duiden erop dat de één tot vijf miljard bliksemflitsen die zich jaarlijks op de prille aarde voordeden, een belangrijke rol hebben gespeeld bij het ontstaan van het terrestrische leven.

Ongeveer drie miljard jaar geleden – zo niet eerder – was er genoeg zuurstof geproduceerd om ‘oases’ te doen ontstaan in beschermde, voedselrijke, ondiepe zeehabitats. Of het nu om een chemische reactie ging, om een evolutionaire ontwikkeling, om een plotse overvloed aan cyanobacteriën, om vulkaanuitbarstingen of om een tragere draaiing van de aarde (of om een combinatie van alle vijf genoemde factoren), het is een feit dat de zuurstofniveaus in de atmosfeer circa 2,5 tot 2,3 miljard jaar geleden sterk zijn gestegen, wat heeft geresulteerd in een periode die bekendstaat als het Grote Oxidatie Evenement (GOE). Dat was een sleutelmoment dat de weg heeft gebaand voor het ontstaan van het complexe leven zoals wij het kennen.

Het heeft ook geleid tot ingrijpende klimaatveranderingen, aangezien de snel stijgende zuurstof-‘voorraad’ een reactie aanging met methaan, waardoor waterdamp en koolstofdioxide werden gevormd. Behalve dat er door botsende landmassa’s een supercontinent tot stand kwam, werd de broeikas van de aarde verzwakt, waardoor de planeet geheel en al met sneeuw en ijs overdekt werd. Variaties in de aardbaan rond de zon, de zogeheten Milanković-cyclus, kunnen bij dat proces ook een rol hebben gespeeld. Dat kan ook het geval zijn met gigantische meteorietinslagen die puin de lucht in slingerden, waardoor zonlicht en -warmte werden tegengehouden, maar die ook een belangrijke rol hebben gespeeld bij de vorming van de continenten. De glacialen (ijstijden) kunnen in de loop van honderden miljoenen jaren hevig of minder hevig zijn geweest, maar over het algemeen was het effect van ‘Sneeuwbal Aarde’ zo enorm dat sommige wetenschappers deze periode in haar geheel als een ‘klimaatramp’ omschrijven.

Hoe dit complexe proces verliep, is onzeker; het is wel het onderwerp van onderzoek waarin momenteel aanzienlijke vorderingen worden gemaakt. Net als tijdens latere glacialen mondde deze periode echter uit in grote veranderingen in de dieren- en plantenwereld van de planeet. Eén gevolg lijkt te zijn geweest dat kleine organismen naar een grotere omvang evolueerden en dat ze zich met hogere snelheden konden voortbewegen, als tegenwicht tegen de grote viscositeit van het koude zeewater.

Recentelijk is geopperd dat de vorming van 8000 kilometer hoge ‘superbergen’ een rol kan hebben gespeeld bij de toename van de atmosferische zuurstof en de biologische evolutie kan hebben gestimuleerd doordat er fosfor, ijzer en voedingsstoffen in de oceanen terechtkwamen toen de bergen in de loop van honderden miljoenen jaren erodeerden. Er zijn fossiele gegevens teruggevonden van complexe, macroscopische levensvormen uit het Ediacarische biota-tijdperk, dat 570 miljoen jaar geleden begon en waarin zich ten minste veertig bekende soorten hebben ontwikkeld tot meercellige dieren; deze meercelligen waren symmetrisch, wat vermoedelijk nuttig was voor functies als mobiliteit. Dit markeerde een periode waarin zich een buitengewone diversificatie heeft gemanifesteerd in de veelheid van dieren die in de oceanen leefden, en ook in hun evolutie, ontwikkeling en aanpassingsvermogen; zo ‘maakten’ organismen als de trilobieten ademhalingsorganen op hun kieuwpoten.

Tegen het einde van het ordovicium, zo’n 444 miljoen jaar geleden, veroorzaakte een plotselinge afkoeling, wellicht bewerkstelligd door tektonische verschuivingen – waardoor in Noord-Amerika de Appalachen gevormd werden – een scherpe daling van de temperatuur; er traden diep in de oceaan veranderingen op in de stromingen; het zeeniveau zakte eveneens, wat ten koste ging van de omvang van de habitats van plankton- en nektonsoorten. Die afkoeling gaf al de aanzet tot uitsterving van leven; een volgende uitstervingsgolf deed zich voor toen temperaturen gematigder werden, de zeespiegels weer stegen en stroombewegingen in de oceanen stagneerden, met als gevolg een sterke daling van de zuurstofniveaus. Kwikzilversporen en aanwijzingen voor een aanzienlijke verzuring duiden erop dat vulkanische activiteit een sleutelrol heeft gespeeld in de tweede fase van een proces dat uiteindelijk debet was aan het uitsterven van 85 procent van alle soorten.

En dit was nog maar een van de vele ‘spectaculaire’ tijdvakken waarin het leven van nagenoeg alle organismen werd uitgewist. De maan zou een rol kunnen hebben gespeeld in de veranderingen die zich na deze ramp in de loop van miljoenen jaren hebben voorgedaan. De maan, geformeerd uit het puin dat ten tijde van de botsing bij het ontstaan van de aarde de ruimte in werd geslingerd, oefent een aantrekkende kracht (gravitatie) uit die een grote rol speelt bij de oceaangetijden; als zodanig is de maan verantwoordelijk voor de stromingen en golven die de hitte van de evenaar naar de polen helpen afvoeren en bepaalt hij zo in belangrijke mate het klimaat op aarde.

Aangezien de maan vroeger veel dichter bij de aarde stond – misschien op de helft van de tegenwoordige afstand – waren de uitgeoefende krachten aanzienlijk sterker en hadden ze dus een grotere uitwerking op het aardse klimaat en wellicht ook op de dierenwereld: recente modellen doen vermoeden dat beenvisachtigen door de grote getijdeverschillen misschien wel in ondiepe poelen op het land zijn terechtgekomen, en daarmee de aanzet hebben gegeven tot de evolutie van gewicht dragende ledematen en ademhalingsorganen. Met andere woorden, de maan heeft niet alleen een rol gespeeld in de transformatie van de aarde, maar ook in de verdere ontwikkeling van het leven op deze planeet.

En nog altijd oefent de maan een belangrijke invloed uit: de voortplantingscycli van veel zeedieren lopen synchroon met de maanfasen, waarbij de trek en de paartijd van vis-, krab- en planktonsoorten op gang worden gebracht door het schijnsel van de maan. Koraalgenen passen hun activiteitenniveau aan aan het wassen of afnemen van de maan. Maanfasen schijnen van invloed te zijn op het tijdstip van het paarseizoen van wildebeesten (gnoes) in de Serengeti en worden ook in verband gebracht met het spontaan bevallen van koeien. Veel primaten worden ’s nachts, bij volle maan, actiever – misschien omdat meer licht een grotere kans biedt om aan natuurlijke vijanden te ontkomen. Ook heeft men opgemerkt dat albatrossen op maanverlichte nachten actiever zijn. Hoewel er nog weinig onderzoek naar is gedaan, lijken maanfasen en maanlicht nauw verband te houden met de jaarlijkse trek van miljarden seizoensgebonden diersoorten, en dan met name die van vogels, waarvoor de foerageermogelijkheden sterk afhankelijk zijn van het licht.

Er schijnen dus ook belangrijke verbanden te bestaan tussen enerzijds menselijk gedrag, menselijke activiteiten en zelfs de vruchtbaarheid van de mens en anderzijds de maancycli. Uit studies van inheemse gemeenschappen in Argentinië die niet over elektriciteit beschikken (en daardoor nuttige controlevoorwaarden opleveren), blijkt dat ze later gaan slapen en ook minder lang slapen tijdens de nachten vóór volle maan – wanneer er nog maanlicht is in de uren nadat de schemering is ingevallen. Dit suggereert vervolgens weer dat pre-industriële gemeenschappen die geen beroep konden doen op kunstlicht, soortgelijke slaappatronen hebben gekend, die sterk beïnvloed werden door de activiteiten van de maan. Over langere tijd verzamelde gegevens inzake de menstruatiecycli van vrouwen wijzen op een verband met maanlicht en met de zwaartekracht van de maan; sommige wetenschappers betogen dan ook dat het voortplantingsgedrag van de mens oorspronkelijk synchroon liep met de maan, maar dat dit meer recentelijk is veranderd door moderne leefwijzen.

Terwijl de rol van de maan bij het beïnvloeden en verstoren van menselijk gedrag vaak zijn weerslag vond in de volkscultuur en zelfs in de taal – het woord ‘maanziek’ wijst op een verband tussen geestesziekte en de maan – worden zulke causale verbanden in de regel door wetenschappers niet echt serieus genomen. Toch zijn er ook wetenschappers die erop hebben gewezen dat manische episoden bij patiënten met een bipolaire stoornis een opmerkelijke synchroniciteit vertonen met drie duidelijk te onderscheiden maanfasen. Met andere woorden, de maan speelt een belangrijke rol bij oceaanstromingen, bij de temperaturen en het klimaat op aarde, maar ook bij voortplantingscycli en bij het aardse leven in het algemeen.

Er dient wel meer werk te worden verricht om de rol vast te stellen die de door de maan opgewekte getijden in het weersysteem in de ionosfeer/ thermosfeer hebben gespeeld, evenals bij evolutionaire processen in het verleden en tijdens extinctieperioden. Deze perioden waren niet ongewoon. De meest dodelijke was het zogenoemde Grote Afsterven of de Perm-Trias-massa-extinctie, die 252 miljoen jaar geleden plaatsvond. De belangrijkste oorzaak was een gigantisch vulkanisch verschijnsel in het tegenwoordige Siberië, waarbij enorme hoeveelheden magma vrijkwamen. Het is mogelijk dat het beslissende moment aanbrak toen de lava-erupties niet langer boven de grond plaatsvonden en zich lagen van magma begonnen te vormen, waardoor ondergrondse gassen ingesloten raakten totdat zich een reeks enorme, heftige uitbarstingen voordeed. Hoewel de precieze omstandigheden ons niet bekend zijn, is het uiteindelijke resultaat wel geweest dat er in de atmosfeer geweldige hoeveelheden broeikasgassen terechtkwamen, die de biosfeer destabiliseerden. De temperatuur van bodem en zeewater zou aanvankelijk met 8 à 10 °C gestegen kunnen zijn en later nog eens met 6 à 8 °C; de temperatuur rond de evenaar bedroeg misschien wel 40 °C. Het gevolg was het afsterven van 96 procent van het mariene leven, van driekwart van de landdieren en het verdwijnen van alle bossen op aarde.

Ook andere omvangrijke vulkanische activiteiten hebben gezorgd voor ingrijpende veranderingen, bijvoorbeeld aan het eind van het triastijdvak – circa 200 miljoen jaar geleden – toen een periode van veranderende mariene omstandigheden leidde tot een scherpe daling van de zeespiegel en tot verzoeting van de waterkolom, wat vervolgens weer resulteerde in het ontstaan van in ondiep water levende gemeenschappen van micro-organismen. Dit ging gepaard met enorme bosbranden en plotse emissies van vulkanische gassen in de dampkring, waardoor de koolstofdioxideniveaus viermaal zo hoog werden, de oceanen verzuurden en zich weer een volgende golf van massa-extinctie van het plantenen dierenleven aandiende.

Zulke gebeurtenissen hebben geleid tot ingrijpende veranderingen in het ecosysteem, aangezien flora en fauna snel, via diversificatie, op de nieuwe situatie reageerden. Nieuwe structuren van planten en ander voedsel vergden een aanpassing bij de dieren: zo kwamen in de triassische periode sterkere kaken tot ontwikkeling, waarmee voldoende bijtkracht was op te brengen om voedsel te kunnen afscheuren. Voor een efficiënte voeding was dat met name belangrijk in de context van hardere, taaiere plantenvezels die nu algemener werden – en die in hoge mate bepaalden welke herbivoren het zouden redden en welke zouden uitsterven.

Maar de bekendst geworden gebeurtenis die in het verleden voor een grootschalige transformatie zorgde, werd veroorzaakt door een planetoïde-inslag die de aarde 66 miljoen jaar geleden trof op het schiereiland Yucatán, in de buurt van de huidige Mexicaanse stad Chicxulub, en die tot de ondergang van de dinosauriërs leidde. Dit was slechts een van vele enorme botsingen met buitenaardse voorwerpen sinds het ontstaan van de aarde; een van de eerste teruggevonden sporen daarvan dateren van ongeveer drie miljard jaar geleden; het betreft een inslagkrater bij Maniitsoq op West-Groenland.

De lokale verwoestingen als gevolg van de inslag bij Chicxulub moeten al enorm zijn geweest – met onder andere hoge warmtestralingsniveaus vanuit de inslagpluim, winden met orkaankracht en vermoedelijk ook gigantische tsunami’s en aardverschuivingen die over de oceaanbodem schuurden – maar de gevolgen van deze uitzonderlijke inslag zijn mondiaal geweest: er werd ongeveer 325 gigaton aan zwavel en 425 ton CO2 de lucht in geslingerd met snelheden van meer dan één kilometer per seconde. Als gevolg daarvan moeten er vuurstormen zijn ontstaan door de hitte van de ejecta (het uitgeworpen materiaal) bij terugkeer in de atmosfeer van de aarde; verder moet er een kortdurende afkoeling hebben plaatsgevonden door stof dat het zonlicht tegenhield, maar die moet zijn gevolgd door een langdurige opwarming door het vrijkomen van enorme hoeveelheden CO2; in de oceanen trad tevens een sterke verzuring op.

Wat deze inslag zo dodelijk maakte, was de omvang van de planetoïde – vermoedelijk een deel van een komeet uit de Oortwolk aan de rand van ons zonnestelsel, met een diameter van circa twaalf kilometer – maar kwam ook door de manier waarop en de plek waar hij de aarde raakte. Astrofysici waren in 1994 in staat te begrijpen hoe rampzalig de impact van een object van deze grootte kon zijn toen de komeet Shoemaker-Levy 9 op Jupiter neerkwam. Bij die gelegenheid vielen delen van de komeet nog voor de inslag uit elkaar, waarbij het laatste en grootste fragment maar zo’n kilometer in doorsnee was. Toch was dit voldoende om inslagsporen van circa 100.000 kilometer achter te laten – dat wil zeggen, bijna acht keer de diameter van de aarde – en om de toekijkende wetenschappers zichtbaar van hun stuk te brengen door de omvang van de inslag en de nawerkingen.

Dit alles heeft duidelijk consequenties voor de manier waarop we kijken naar de Chicxulub-inslag, naar andere, soortgelijke inslagen in het verleden, maar ook naar die in de toekomst – vooral gezien het feit dat nieuw onderzoek erop wijst dat de kans dat dergelijke kometen de aarde zullen raken, naar schatting met een factor tien moet worden vergroot. De specifieke hoek van inslag is evenzeer van belang; nieuwe simulaties hebben laten zien dat een steile baan leidde tot een worst-casescenario dat uiterst dodelijk was voor het leven op aarde, als gevolg van de onvoorstelbare hoeveelheden puin die de atmosfeer in werden gejaagd. Ook het tijdstip van de inslag was van belang: vanwege het feit dat de Chicxulub-inslag tijdens de boreale lente/zomer plaatsvond – vlak na de paaitijd van de vissen en de paartijd van de meeste continentale taxa – waren de implicaties voor flora en fauna buitengewoon heftig.

Dergelijke gebeurtenissen waren spectaculair en hadden een verwoestende uitwerking. Ze hebben ook een rol gespeeld in de buitengewone reeks meevallers, toevalligheden, kansjes en gelukstreffers (serendipiteit!) die uiteindelijk heeft geleid tot niet alleen de opkomst van het mensdom, maar ook van de vele flora-, fauna- en biotasoorten die er vandaag de dag zijn. Alle leven op aarde stamt af van dieren, planten en organismen die niet één, maar meerdere gevallen van massa-extinctie hebben overleefd; dat geldt ook voor de bijna onoverzienbare reeks kleinschaliger voorvallen die grote veranderingen teweeg hebben gebracht in de klimatologische en atmosferische omstandigheden die de voor ons vertrouwde wereld hebben gecreëerd.

Vertaling George Pape en Eric Strijbos