3.4. Maan historia
3.4. Maan historia
Edeltävissä osiossa tarkastelimme maapallojärjestelmän tämänhetkistä tilaa sekä mahdollisia ihmisen toiminnan vaikutuksia järjestelmän toimintaan ja tilaan tulevaisuudessa. Järjestelmän todellinen ymmärtäminen vaatii kuitenkin yleensä myös sen historian tuntemista: kuinka järjestelmä on kehittynyt ja kuinka se on muuttunut ajan kuluessa? Huomautettakoon kuitenkin, että kaukana menneisyydessä tapahtuneiden asioiden tutkiminen on vaikeaa, emmekä voi olla varmoja, että olemme kuvanneet kaikki kehityskulut oikein.
Maapallo, ja elämä, on kokenut historiansa aikana lukuisia rajuja mullistuksia, joiden tunteminen on tärkeää nykyisyyden ja tulevaisuuden ymmärtämiseksi. Alla oleva kuva näyttää Maan historian tärkeimpien tapahtumien ajankohdat.
Kuva. Maapallon historian tärkeimmät tapahtumat. Sisemmässä ympyrässä on nimetty geologisen ajanlaskun mukaiset kolme ensimmäistä aionia (hadeeininen, arkeeinen ja proterotsooinen) ja nykyisen (fanerotsooisen) aionin kolme maailmankautta (paleotsooinen, mesotsooinen ja kenotsooinen). Ulkokehän kaaret kuvaavat eri elämänmuotojen esiintymisen aikajaksoja ja tekstit osoittavat tärkeitä yksittäisiä tapahtumia. Ga: miljardia vuotta sitten; Ma: miljoonaa vuotta sitten. Credit: Woudloper derivative work: Hardwigg.
Prekambri (4 540 – 541 miljoonaa vuotta sitten)
Maapallo syntyi noin 4,55 miljardia vuotta sitten. Hadeaanisen kauden alussa Maahan uskotaan osuneen suuren protoplaneetan, ja törmäyksen seurauksena avaruuteen sinkoutuneesta materiaalista muodostui Kuu. Ensimmäisten satojen miljoonien vuosien ajan Maan lämpötila oli hyvin korkea ja Maahan satoi tiheään suuria ja pienempiä taivaankappaleita. Maan ilmakehä koostui muun muassa hiilidioksidista, metaanista ja ammoniakista.
Arkeeisen kauden alussa, 4 miljardia vuotta sitten, maapallolla alkoi elämä esitumallisten solujen (bakteerin ja arkeonien eli arkkien) muodossa. Ensimmäiset eliöt saivat energiansa pääosin kemiallisista lähteistä. Elämä oli hyvin pienimuotoista, koska saatavilla oli vain vähän energiaa. Reilut kolme miljardia vuotta sitten syntyivät ensimmäiset auringonvaloa energialähteenään käyttäneet esitumalliset mikrobit. Näiden ensimmäisten eliöiden käyttämä yhteyttämisreaktio (eli reaktio, jolla auringonvalon energia muutetaan kemialliseksi energiaksi) ei kuitenkaan ollut samanlainen kuin nykyisillä kasveilla ja levillä eikä tuottanut happea. Meret sekä ilmakehä olivat käytännössä hapettomia.
Maapallon ilmakehä alkoi hapettua vähän yli 3 miljardia vuotta sitten, kun syanobakteerit (joita kutsutaan myös sinileviksi, vaikka ne ole leviä vaan bakteereja) kehittyivät. Syanobakteerien, kuten nykyisten kasvien ja levien, yhteyttämisreaktion lähtöaineita ovat hiilidioksidi (CO2) ja vesi (H20), joista auringon säteilyenergian avulla avulla tuotetaan kemiallista energiaa (orgaanisia molekyylejä) ja jonka sivutuotteena syntyy happea (O2). Yhteyttämisessä tuotettu happi ei kuitenkaan aluksi päätynyt ilmakehään, vaan se hapetti muun muassa valtamerissä liuenneessa muodossa olevaa rautaa. Ilmakehään happea alkoi kertyä vasta noin 2,4 miljardia vuotta sitten.
Happi oli myrkyllistä sen aikaisille anaerobisille (eli hapettomia oloja vaativille) eliöille, joista suuri osa todennäköisesti kuoli sukupuuttoon. Ilmakehän hapettumisen seurauksena myös metaanin (joka on voimakas kasvihuonekaasu) pitoisuus ilmakehässä laski, ja tämän seurauksena maapallo jäätyi kauttaaltaan noin 2,3 miljardia vuotta sitten. Jäätyneellä maapallolla syanobakteerien yhteyttäminen ja maaperän rapautuminen (joka sitoo hiilidioksidia) oli luonnollisesti hyvin vähäistä, joten tulivuorten toiminnasta peräisin oleva hiilidioksidi pääsi kertymään ilmakehään. Lopulta noin 300 miljoonan vuoden kuluttua hiilidioksidin määrä ilmakehässä oli noussut riittävästi, jotta jäätiköt alkoivat sulaa. Sulamisen alettua lämpeneminen oli nopeaa, sillä jään alta paljastuva vesi ja maa absorboivat tehokkaasti auringon säteilyä kiihdyttäen lämpötilan nousua ja jäätiköiden sulamista.
Seuraavan noin 1,3 miljardin vuoden aikana maapallon olosuhteet pysyivät suhteellisen vakaina. Ensimmäiset aitotumaiset eliöt (eukaryootit) kehittyivät noin 2 miljardia vuotta sitten, todennäköisesti kun arkkieliö (arkeoni) “nielaisi” proteobakteerin. Tästä endosymbioottisesta proteobakteerista kehittyi ajan myötä nykyisten aitotumaisten eliöiden mitokondrio, joka tuottaa energiaa erityisen tehokkaasti “polttamalla” orgaanisia molekyylejä hapen avulla. Seuraava suuri hyppäys evoluutiossa tapahtui n. 1,5 miljardia vuotta sitten, kun aitotumaiset eliöt “nielaisivat” yhteyttäviä bakteereita, joista kehittyivät nykyisten kasvien ja levien viherhiukkaset (kloroplastit). Eliöt kuitenkin pysyivät mikroskooppisen pieninä ja hyvin yksinkertaisina vielä yli miljardin vuoden ajan.
Tämänhetkisen ymmärryksen mukaan syynä evoluution jähmettymiseen olivat valtamerissä (jonne elämä oli pääosin rajoittunut) tuolloin vallinneet olosuhteet. Vaikka ilmakehän hapettuminen alkoi jo 2,4 miljardia vuotta sitten, meret – etenkin merten syvemmät kerrokset – pysyivät hapettomina vielä yli miljardin vuoden ajan. Merten syvemmissä kerroksissa oli runsaasti rikkivetyä, joka poisti vedestä eliöille tarpeellisia ravinteita kuten molybdeenia. Vähähappisessa merivedessä myös fosforin pitoisuus oli hyvin matala. Ravinneköyhässä ja vähähappisessa ympäristössä yhteyttäminen (ja siten myös hapen tuottaminen) oli hyvin hidasta, joten kaikki kehitys jäi ryömintävaihteelle. Ajanjaksoa 1,8 miljardia – 800 miljoonaa vuotta sitten kutsutaankin maapallon historian tylsimmäksi ajaksi (“the boring billion”).
Noin 720 miljoonaa vuotta sitten alkoi toinen laajojen jäätiköitymisten aika, niin kutsuttu kryogeenikausi, joka kesti lähes 80 miljoonaa vuotta. Tänä aikana maapallon uskotaan jäätyneen kauttaaltaan kahteen otteeseen. Todennäköinen syy jäätiköitymisiin oli kallioperän rapautumisen aiheuttama pudotus ilmakehän hiilidioksidipitoisuudessa ja siitä seurannut ilmaston viileneminen. Kryogeenikausi loppui, kun tulivuorista peräisin olevaa hiilidioksidia oli jälleen kertynyt riittävästi ilmakehään, jotta ilmasto lämpeni ja jäätiköt sulivat.
“Lumipalloefekti”
Ilmastoon vaikuttavista voimistavista takaisinkytkennöistä merkittävin on jäätiköiden albedon eli heijastavuuden ja ilmaston viilenemisen välinen takaisinkytkentä. Jos napa-alueille muodostuu jäätä, viilentää tämä ilmastoa, sillä valkea jää ja lumi heijastavat suurimman osan auringon säteilystä takaisin avaruuteen. Sopivissa olosuhteissa ketjureaktio, jossa ilmaston viileneminen ja jäätiköiden kasvaminen ruokkivat toisiaan, voi jatkua, kunnes koko planeetan pinta on jäätynyt. Tämä voimistava takaisinkytkentä on todennäköinen selitys jo aiemmin mainituille ajanjaksoille, jolloin käytännössä koko planeetta oli jään peitossa. Suomen kielen sana “lumipalloefekti” kuvaakin – sattumalta mutta sattuvasti – sekä prosessin itseään voimistavaa luonnetta että prosessin lopputulosta – jään ja lumen peittämää maapalloa.
Kryogeenikauden jäätiköitymisten jälkeen n. 635 miljoonaa vuotta sitten ilmakehän happipitoisuus alkoi hitaasti nousta aiemmasta noin yhden prosentin pitoisuudesta ja myös valtameret hapettuivat. Nykykäsityksen mukaan kryogeenikauden jäätiköitymisten aiheuttama eroosio toi meriin runsaasti fosforia, joka mahdollisti levien tehokkaan yhteyttämisen ja sen myötä happipitoisuuden nousun. Heti tämän jälkeen syntyivät ensimmäiset monimutkaisemmat monisoluiset eliöt (niin kutsuttu Ediacaran eläimistö), mikä tukee ajatusta siitä, että ravinteiden vähäisyydestä johtuva valtamerten hapettomuus oli hidastanut elämän kehittymistä. Aitotumaisten eliöiden mitokondrioissa tapahtuva tehokas energiantuotantoprosessi (aerobinen soluhengitys) vaatii happea; heti kun happea oli riittävästi saatavilla, aitotumaisten eliöiden kyky tuottaa ja kuluttaa runsaasti energiaa mahdollisti niiden kasvun ja monimutkaistumisen.
Hapen ja tulen tasapaino
Maapallolla oleva molekulaarinen happi (O2) on käytännössä kaikki peräisin kasvien yhteyttämisreaktiosta, jossa happea syntyy sivutuotteena. Hapen määrä ilmakehässä ja vesissä kasvaa, kun osa eliöistä hautautuu kuoltuaan merenpohjan kerroksiin, jolloin näissä eliöissä ollut eloperäinen materiaali jää hajoamatta (eli palamatta) eikä siten kuluta tuon materiaalin teossa syntynyttä happea. Myös kuolleista maaeliöistä peräisin oleva eloperäinen materiaali hautautuu lopullisesti lähinnä merenpohjan kerroksiin.
Periaatteessa voisi siis kuvitella, että hapen määrä kasvaisi loputtomiin, kun osa eloperäisestä materiaalista kuitenkin aina päätyy merenpohjan kerrostumiin. Näin ei kuitenkaan ole tapahtunut, vaan ilmakehän happipitoisuus on pysynyt suhteellisen vakaana (noin 16–30 prosentissa) maaekosysteemien kehittymisestä lähtien, eli yli 400 miljoonaa vuotta. Happipitoisuuden vakaus antaa olettaa, että sitä säätelee jokin palauttava takaisinkytkentämekanismi.
Tämä palauttava takaisinkytkentämekanismi on tuli. Eloperäinen kuiva materiaali voi palaa vain, jos ilmakehässä on vähintään 13% happea, ja normaali kasvillisuus voi palaa vasta, kun happea on yli 16%. Jos kasvillisuus ei pala, kuollutta eloperäistä materiaalia kertyy enemmän, joten happipitoisuuden putoaminen alle 16% olisi hyvin epätodennäköistä.
Toisaalta jos happipitoisuus kasvaa hyvin korkeaksi, eloperäinen materiaali syttyy helposti ja palaa voimakkaasti. Happipitoisuuden noustessa yli 25% palot ovat niin yleisiä ja voimakkaita, että metsät eivät kykene uudistumaan (kosteissa metsissä tämä raja voi olla noin 30%). Happipitoisuuden noustessa korkeaksi voimakkaat metsäpalot vähentävät maalla olevaa eloperäisen materiaalin määrää (ja siten myös merenpohjiin hautautuvan materiaalin määrää), mikä pysäyttää happipitoisuuden nousun.
Metsäekosysteemien kuoleminen vähentää myös meriin pääsevän fosforin määrää, sillä fosforin rapautuminen kallioperästä on hidasta ilman puiden juuristojen toimintaa. Merissä fosforin määrä on kasvua rajoittava tekijä, joten metsäpalot rajoittavat myös merissä syntyvän eloperäisen materiaalin hautautumista merenpohjaan. Maalla elävien kasvien, tulen ja merien ravinnepitoisuuden väliset vuorovaikutukset siis tasapainottavat ilmakehän happipitoisuuden.
Fanerotsooinen aioni (540 miljoonaa vuotta sitten – nykyhetki)
Termi fanerotsooinen tulee kreikan sanoista faneros (ilmeinen) ja zoi (elämä), mikä viittaa selviin elämän merkkeihin tämän aikakauden maakerrostumissa. Fanerotsooinen kausi on määritelty alkamaan niin kutsutusta ‘kambrikauden lajiräjähdyksestä’ (Cambrian explosion) noin 540 miljoonaa vuotta sitten, jolloin lähes kaikkien nykyäänkin elossa olevien eliöiden kantamuodot kehittyivät suhteellisen lyhyessä ajassa, noin 10–20 miljoonassa vuodessa.
Fanerotsooisella ajalla (eli viimeisten 540 miljoonan vuoden aikana) maapallon keskilämpötila on vaihdellut 32 °C ja 9 °C välillä (nykyinen lämpötila on noin 14 °C; katso kuva alla). Ajanjaksolle osuu ainakin kolme viileämpää kautta, joiden aikana napojen lähellä oleville maa-alueille on muodostunut mannerjäätiköitä. Viimeisin jääkausiaika, jota yhä elämme, alkoi noin 34 miljoonaa vuotta sitten. Eoseenikauden lämpöhuipussa noin 55 miljoonaa vuotta sitten ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli korkeimmillaan noin 1500 ppm (varhaisempien aikojen pitoisuuksista ei ole hyviä arvioita), ja alimmillaan hiilidioksidipitoisuus oli noin 180 ppm viimeisimmän jääkauden aikana noin 22 tuhatta vuotta sitten.
Kuva. Maapallon keskilämpötila viimeisten 540 miljoonan vuoden aikana. Keskilämpötilan ollessa alle 18 °C muodostuu napa-alueille jäätiköitä. Lähde Scotese ym (2021). Reprinted with permission.
Vaikka muutkin tekijät – kuten Maahan saapuvan auringonsäteilyn määrä ja muut kasvihuonekaasut – vaikuttavat maapallon ilmastoon, ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on olennaisen tärkeä tekijä: mitä enemmän hiilidioksidia, sitä korkeampi lämpötila. Hiilidioksidin määrään ilmakehässä taasen vaikuttaa moni eri tekijä. Hyvin pitkällä (kymmenien miljoonien vuosien) aikavälillä hiilidioksidin määrään ja ilmastoon vaikuttavat mannerlaattojen erkaantumisvyöhykkeillä muodostuva uusi maankuori (joka lisää hiilidioksidia ilmakehään) ja eroosiolle alttiin maa-alan määrä (joka vähentää hiilidioksidia ilmakehästä).
Nykykäsityksen mukaan hiilidioksidin määrää ilmakehässä – ja siten maapallon keskilämpötilaa – säätelevät myös lämpötilan, sadannan, maaperän eroosion sekä valtamerien hiilivarastojen muodostaman järjestelmän takaisinkytkennät, jotka pyrkivät palauttamaan hiilidioksidipitoisuuden matalammalle tasolle esimerkiksi laajojen laavapurkausten jälkeen. Nämä palauttavat mekanismit ovat kuitenkin hyvin hitaita ja toimivat miljoonien vuosien aikajänteellä.
Kuten yllä olevasta kuvasta näkyy, maapallon ilmasto on vaihdellut suuresti pitkien ajanjaksojen kuluessa. Siirtymät kuumempiin lämpötiloihin ovat yleensä olleet yhteydessä suuriin laavapurkauksiin, joiden mukana ilmakehään on siirtynyt valtavia määriä hiilidioksidia.
Dramaattisin laavapurkaus ja ilmaston lämpeneminen tapahtui triaskauden alussa noin 252 miljoonaa vuotta sitten, kun läntisessä Siperiassa noin 7 miljoonaa neliökilometriä (20 kertaa Suomen pinta-ala) peittyi 1-4 kilometrin paksuiseen basalttilaavakerrokseen. Purkaus kesti noin miljoona vuotta, kaksinkertaisti ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden ja nosti maapallon keskilämpötilaa reilusti yli kymmenellä asteella. Päiväntasaajan alueella lämpötila nousi 25 °C asteesta lähes 40 °C asteeseen. Supermanner Pangean sisäosat muuttuivat elinkelvottomaksi aavikoksi; maalla elävät eliöt selvisit lähinnä vain sateisilla rannikoilla olevien vuorten rinteillä.
Lämpötila napa-alueilla nousi 14 °C asteeseen, minkä seurauksena merivirrat lakkasivat toimimasta ja meret muuttuivat lopulta hapettomiksi ja myrkyllisiksi. Hapettomista meristä vapautui metaania, joka lisäsi ilmaston lämpenemistä entisestään. Merissä elävistä lajeista 81–96% kuoli sukupuuttoon; kaikkiaan eliöiden määrä väheni 90–99%. Trooppisten metsäekosysteemien palautuminen kesti yli 20 miljoonaa vuotta ja uudet metsät olivat lajistoltaan hyvin erilaisia verrattuna lämpenemistä edeltäviin metsiin. Samoin koralliriuttojen palautuminen kesti yli 10 miljoonaa vuotta ja korallien lajisto muuttui kokonaan. Triaskauden alun joukkosukupuutto on tunnetuista joukkosukupuutoista tuhoisin, mutta käy esimerkistä, sillä neljä viidestä suurimmasta joukkosukupuutosta on yhdistetty suuriin laavapurkauksiin, jotka ovat aiheuttaneet muun muassa merten happamoitumista ja happikatoa, happosateita ja myrkyllisten metallien pääsemistä vesistöihin.
Asteroidien iskeytyminen Maahan on laavapurkausten ohella toinen ilmastoon ja maapallon elämään äkillisiä muutoksia aiheuttanut tekijä. Tunnetuin asteroidin aiheuttama katastrofi on hirmuliskot hävittänyt ja liitukauden lopettanut joukkosukupuutto noin 66 miljoonaa vuotta sitten. Jukatanin niemimaalle osunut asteroidi nostatti ilmakehään jopa 3000 miljoonaa tonnia höyrystynyttä kiviainesta ja jätti jälkeensä kraatterin, jonka läpimitta on noin 150 kilometriä (Chicxulubin kraatteri). Ilmassa pysynyt hienojakoinen pöly esti auringonvalon pääsyn maan pinnalle, mikä tappoi kasveja ja kasviplanktonia. Auringonvalon himmentyminen viilensi ilmastoa kymmenen astetta, ja tämä “ydintalvi” kesti jopa vuosikymmeniä. Ilman ravintoa kasvinsyöjät ja niistä riippuvaiset petoeläimet nääntyivät. Noin 75% kaikista lajeista kuoli sukupuuttoon; etenkin kaikki suuremmat eläimet hävisivät.
Kun pöly lopulta laskeutui, lämpötila nousi jälleen – jopa korkeammaksi kuin ennen asteroidin iskua. Tähän oli syynä iskeytymispaikkaa vastapäätä maapallolla sijainnut tuliperäinen alue (nykyinen Intian niemimaa), joka alkoi purkaa suuria määriä laavaa ja hiilidioksidia. Asteroidin iskusta seuranneet shokkiaallot kiersivät maapallon ja kohtasivat sen vastakkaisella puolella, todennäköisesti nostattaen jo ennestään tuliperäisen alueen aktiivisuutta.
Jopa Chicxulubin kraatterin jättänyttä asteroidia suurempi taivaankappale osui todennäköisesti Maahan jo paljon aiemmin, noin 445 miljoonaa vuotta sitten ja käynnisti 4 miljoonaa vuotta kestäneen äkillisen jääkausiajan (Hirnantian jääkausiaika). Tästä iskusta ei kuitenkaan tiedetä juuri mitään, ja sen mahdollisesti merenpohjaan jättämä kraatteri on todennäköisesti joutunut mannerlaatan alle. Hirnantian jääkausiaika tappoi sukupuuttoon noin puolet sen aikaisesta eliöstöstä.
Viimeiset muutama kymmenen miljoonaa vuotta Maan ilmasto on ollut viilentymään päin. Viilenemistä on selitetty Himalajan vuoriston nousulla ja sen kiihdyttämällä eroosiolla, joka on siirtänyt hiiltä pois ilmakehästä merenpohjien kalkkikivikerrostumiin. Myös Etelämantereen ympärille avautunut merivirtojen reitti on toiminut ilmastoa jäähdyttävänä tekijänä, kun kylmät merivirrat eristävät Etelämantereen lämpimistä vesimassoista.
Pleistoseeni, eli reilun kahden miljoonan vuoden ajanjakso, joka päättyi holoseeniin 11 700 vuotta sitten, oli jatkuvaa nopeaa jäätiköitymiskausien (napajäätiköiden leviämisen) ja niiden välisten interglasiaalien (napajäätiköiden kutistumisen) vuorottelua, johon vaikuttivat vaihtelut maapallon kiertoradan muodossa ja maan kallistuskulmassa.
Viimeisten kahden miljoonan vuoden aikana merenpinta on noussut ja laskenut 50 kertaa. Alimmillaan merenpinta on ollut 100 metriä nykyistä matalammalla (jäätiköiden ollessa suurimmillaan) ja ylimmillään 70 metriä nykyistä korkeammalla (jäätiköiden ollessa pienimmillään). Ilman ihmisen vaikutusta seuraava jäätiköiden leviämisvaihe olisi alkanut noin 20 000 vuoden kuluttua. Tämä ei kuitenkaan tule tapahtumaan, sillä ihmisen aiheuttamat hiilidioksidipäästöt estävät seuraavan jäätiköitymisvaiheen käynnistymisen.
Maapallo on siirtymässä pois yli kaksi miljoonaa vuotta kestäneestä ilmaston tilasta, jota ovat luonnehtineet säännölliset laajat jäätiköitymisvaiheet. Se, minkälainen on tulevaisuuden ilmasto, riippuu ihmisen toimista. Eikä pidä myöskään unohtaa laavapurkauksia tai harvinaisempia asteroidien iskuja, jotka ovat rajusti muokanneet maapallon ilmastoa ja elämää menneisyydessä.
Mielenkiintoisia materiaaleja verkossa:
Jäikö tästä osiosta jotain mieleen, mitä haluaisit kommentoida?Vapaaehtoinen.