Daniel Rothman arbetar på översta våningen i Massachusetts Institute of Technologys institution för geovetenskap, atmosfärsvetenskap och planetologi – en stor betongbyggnad med utsikt över Charles River i Cambridge. Som utbildad matematiker studerar Rothman komplexa system, och han har funnit ett fascinerande ämne i jordens beteende. Särskilt undersöker han planetens kolcykel i den avlägsna förflutna, särskilt under sällsynta ögonblick när den knuffades förbi en vipppunkt och snurrade ur kontroll, och tog hundratusentals år att återhämta sig.
Eftersom allt liv på jorden är kolbaserat, kallas större störningar i kolcykeln bättre för massutdöenden. Geologer har gjort en oroande upptäckt under de senaste decennierna: många av jordens massutdöenden – inklusive det värsta någonsin – orsakades inte av asteroidnedslag, som man tidigare trodde, utan av massiva vulkanutbrott som frigjorde katastrofala mängder koldioxid i atmosfären och haven.
Om för mycket koldioxid frigörs för snabbt kan det överväldiga kolcykeln och utlösa en planetär återkopplingsloop. Jordens naturliga processer kan då förvärra problemet, genom att frigöra ännu mer kol och skicka klimatet in i en förödande spiral som varar i 100 000 år innan stabiliteten återvänder. Det spelar ingen roll om koldioxidnivåerna initialt är höga eller låga – det som betyder något är förändringens hastighet. En snabb ökning kan leda till katastrof.
Kolcykeln hanterar normalt sett den långsamma, stadiga utsläppet av koldioxid från vulkaner över miljontals år, flyttar kol mellan luft, hav och levande varelser innan det så småningom återvänder till jorden. Men om en enorm mängd kol frigörs på mycket kort tid – snabbare än planeten kan absorbera – kan det utlösa en kedjereaktion som är långt mer destruktiv än den initiala händelsen. Det kan finnas en kritisk tröskel som skiljer vanliga uppvärmningshändelser, som livet kan anpassa sig till, från ohämmade utdöenden.
Även om det har gått mer än 60 miljoner år sedan jorden senast korsade en sådan tröskel, antyder Rothmans forskning att vi nu driver planeten mot samma farliga väg. När vi väl korsar den linjen kan ett massutdöende bli oundvikligt, även om det tar tusentals år att fullt ut utspelas.
Genom jordens historia har det bara funnits några få sätt att frigöra enorma mängder kol från jordskorpan till atmosfären: sällsynta, massiva vulkaniska händelser som inträffar ungefär var 50:e miljon år, och – så vitt vi vet – industrikapitalismen, som bara har hänt en gång.
Massutdöenden är inte bara mycket dåliga händelser. De är inte samhällsstörande pandemier som COVID-19, som dödade mindre än 1 % av en enda primatart. De är inte som förlusten av en fjärdedel av världens vegetation eller nedisningen som steriliserade större delen av Nordamerika för 20 000 år sedan. De är inte ens som supervulkanutbrott, som – trots att de kan förstöra det moderna samhället – inte har haft någon varaktig effekt på den globala biologiska mångfalden. Allt detta är en del av livets normala utmaningar på jorden. Livet har uthärdat dem förut. Om det var sårbart för den typ av rutinmässiga störningar som är en del av vardagen på en vulkanisk planet. Men medan jorden är en robust värld, motståndskraftig mot alla typer av ofattbara påfrestningar den regelbundet utsätts för, inträffar något verkligt katastrofalt var 50:e till 100:e miljon år. Dessa är de stora massutdöendena, när förhållandena på planetens yta blir så fientliga överallt att de överväldigar nästan allt komplext livs förmåga att anpassa sig.
Fem gånger under djurens livshistoria har denna förödelse nått – och i ett fall vida överskridit – den något godtyckliga tröskeln att utrota 75 % av jordens arter, vilket gett titeln "stort massutdöende". Paleontologer hänvisar till dessa som de fem stora, även om fossilregistret också visar dussintals andra, mindre allvarliga massutdöenden. Den senaste av de fem stora inträffade för 66 miljoner år sedan, en global katastrof tillräckligt allvarlig för att avsluta de gigantiska dinosauriernas era.
Den lämnade efter sig en 110 miles bred krater, upptäckt 1978 under Mexikos Yucatánhalvö av geofysiker som arbetade för statens oljebolag Pemex. Kraterns storlek och form indikerade att en sex miles bred asteroid omedelbart grävde ett 20 miles djupt hål i marken. Tre minuter senare sköt ett extremt tillfälligt 10 miles högt berg av exploderande smält granit uppåt. I kaoset utplånades 76 % av djurarterna.
I jämförelse är skadan människor har vållat den övriga levande världen relativt blygsam hittills, och står för kanske mindre än 10 % av förlorade arter. Åtminstone för nu. Enligt en inflytelserik studie från 2011 i Nature av paleobiologen Anthony Barnosky, om vi fortsätter i vår nuvarande takt av utdöende, skulle vi kunna eskalera från vår redan alarmerande nivå – ett mindre massutdöende – till det sjätte stora massutdöendet på så lite som tre sekel eller så långt som 11 330 år. För framtida geologer skulle det se ut precis som ett asteroidnedslag. Ännu mer oroande, det kan finnas vipppunkter längs vägen där världens återstående arter försvinner nästan alla på en gång, som noder i ett elnät som fallerar tillsammans under ett sammanbrott.
Med tanke på hur förödande människans påverkan på biosfären redan har varit, är det skrämmande att tänka att det värsta av vårt massutdöende fortfarande kan ligga framöver.
En period i vår planets historia sticker ut som unikt lärorik – och unikt kaotisk, volatil och dödlig – när det gäller koldioxidöverbelastning. För trehundra miljoner år sedan förlorade jorden upprepade gånger kontrollen över sin kolcykel och uthärdade 90 miljoner år av massutdöenden, inklusive två av de värsta globala katastroferna genom tiderna, båda drivna av koldioxid. Vid ett tillfälle dog planeten nästan. Paleontologen Paul Wignall beskrev det som att ge efter för "ett klimat av oöverträffad ondska". Vid slutet av permperioden, för 252 miljoner år sedan, erupteerade tillräckligt med lava från Sibirien och sipprade in i jordskorpan för att begrava de nedre 48 amerikanska delstaterna under en kilometer av berg.
En kilometer djup.
Lämningarna efter dessa uråldriga lavaflöden är kända som de sibiriska trapporna. Idag bildar de dramatiska flodraviner och platåer av svart berg i Rysslands avlägsna boreala vildmark. Utbrotten som skapade dem, som en gång täckte Sibirien med 2 miljoner kvadrat miles av ångande basalt, tillhör en sällsynt klass av jättar kallade stora magmatiska provinser (LIPs).
LIPs är hittills det farligaste fenomenet i jordens historia, med en långt mer katastrofal track record än asteroider. Dessa en-gång-per-era, planetdödande vulkaner är helt annorlunda från typiska utbrott som Tambora, Mount Rainier eller Krakatau – eller till och med Yellowstone. Tänk dig om Hawaii hade bildats inte över tiotals miljoner år, utspridda över Stilla havet, utan allt på en gång i ett kort, våldsamt utbrott. På mindre än en miljon år, och allt i en region – ibland till och med brast genom kontinenternas centra – dessa massiva vulkaniska händelser, kända som stora magmatiska provinser (LIPs), är jordens dramatiska påminnelse om att vår tunna bergiga skorpa och det sköra livslager som täcker den vilar ovanför en böljande, likgiltig planetmotor. Här drar kolossala stenströmmar hela oceanplattor ner till planetens kärna för att förstöras och återskapas. När denna process störs, erupterar LIPs som tektonisk indigestion, och översvämmar stora områden med vulkanisk berg. Om dessa utbrott är tillräckligt stora och snabba kan de förstöra världen.
I slutet av permperioden, under det största massutdöendet i historien, skulle dessa utbrott ha producerat skräckinjagande explosioner, sannolikt orsakat korta vulkaniska vintrar och surt regn. Det var utbredd kvicksilverförgiftning, tillsammans med giftiga fluor- och klorgaser – liknande det som kvävde soldater i första världskrigets skyttegravar. Viktigast av allt, och katastrofalt för livet, frigjorde utbrotten en planetförändrande mängd koldioxid.
Intressant nog, när dateringen av den sibiriska lavan har blivit mer exakt, vet vi nu att massutdöendet inte började förrän 300 000 år in i utbrotten – efter att två tredjedelar av lavan redan hade översvämmat norra Pangaea med miles-tjockt berg. Detta är förbryllande. Vulkanerna hade sprutat sin vanliga dödliga blandning i hundratusentals år, vida överskridande modern industriell förorening. Det skulle ha funnits otaliga våldsamma explosioner och frätande sura regnstormar. Ändå fortsatte livet; biosfären är motståndskraftig. Så varför, efter så mycket ihållande förödelse, kollapsade livet plötsligt över hela världen, till och med i de djupaste haven på andra sidan planeten?
Vad orsakade massutdöendet? "Du kan utesluta lavorna", säger Seth Burgess, en geolog vid US Geological Survey. Men något med dessa sibiriska vulkaner måste ha förändrats dramatiskt efter 300 000 år, vilket utlöste global kollaps. Så vad var det?
Planeten började bränna sina egna fossila bränslen.
Resultatet blev en massiv tillströmning av kol som överväldigade jordens reglersystem och knuffade klimatet ur balans.
Vulkaner avger naturligt betydande mängder koldioxid – upp till 40 % av gaserna från en ventil kan vara koldioxid. Men efter århundraden av ytaktivitet började något mycket farligare bubbla under jord. Enorma, 1 000 fot tjocka skivor av magma, oförmögna att nå ytan, spred sig sidledes genom djupt berg som glödande rötter och värmde allt i sin väg. Det var då förhållandena blev katastrofala.
Dessa underjordiska magmainträngningar brände igenom en åtta miles tjock stapel av uråldrigt ryskt berg i Tunguskabassängen. Denna geologiska lagertårta inkluderade lämningar av gamla saltslätter och sandstenar, men mer kritiskt, kolrik kalksten, naturgasfyndigheter från uråldriga hav och kol från tidigare tider. Vid kontakt antände magman dessa fossila bränslen och kolrika bergarter, vilket utlöste massiva gasexplosioner som frakturerade det överliggande berget. Vid ytan erupterade krater med en halv miles bredd och frigjorde gigaton koldioxid och metan i atmosfären.
Efter hundratusentals år av typiska ytutbrott hade vulkanerna börjat bränna sig igenom underjorden. De sibiriska trapporna erupterade i enorm skala och fungerade som enorma koleldade kraftverk, anläggningar för naturgas och cementfabriker. Som en forskare beskrev perm-tiden utdöende, "Förbränningen av kol skulle ha representerat en okontrollerad och katastrofal frigörelse av energi från jordens planetära bränslecell." Dessa utbrott frigjorde enorma mängder koldioxid alldeles för snabbt för att planeten skulle kunna absorbera det.
Här är en trolig sekvens av händelser i slutet av permperioden. Först fångade det excessiva koldioxiden in mer av solens energi nära jordens yta – en grundläggande fysisk process som forskare har förstått i över 150 år. Som ett resultat värmdes planeten upp med ungefär 10°C över tusentals år, vilket pressade både djur- och växtliv till sina gränser. Varmare luft håller också mer fukt – ungefär 7 % mer per grad uppvärmning – så när temperaturerna steg, intensifierades vattencykeln, vilket ledde till frekventare och allvarligare stormar.
Haven värmdes också upp, vilket minskade deras syrehalt. Marina djur, som redan kämpade i värmen, behövde mer syre, inte mindre. När haven blev varmare och mer stillastående började marint liv dö ut. För att göra saken värre löstes atmosfäriskt koldioxid upp i havet som kolsyra, vilket ökade surheten och minskade karbonatet som många organismer använder för att bygga skal. Marina varelser blev svaga, sjuka eller misslyckades med att forma skal alls.
När havslivet kollapsade började det marina näringsnätet rasa samman. På land förstörde skogsbränder ekosystem och frigjorde ännu mer koldioxid, medan våldsamma stormar slog mot kontinenterna. Skräp från landet sköljdes ut i havet och bar med sig näringsämnen som fosfor som bränsle för massiva algblomningar. När dessa blomningar dog och sönderföll, konsumerade de ännu mer syre och kvävde haven.
När koldioxid fortsatte att strömma från de sibiriska trapporna blev planeten varmare och pressade förhållandena bortom vad komplext liv kan uthärda. I dessa livlösa, syrebristande hav började uråldriga anaeroba bakterier – som inte behöver syre för att överleva – frodas. Några av dessa bakterier använder sulfat för energi och frigör giftig vätesulfid som en biprodukt. Denna gas är dödlig för syreandande liv, som ses idag i gödselgropar eller runt oljefält som de i Texas Permbäcken. Giftet spred sig genom det djupa havet och in i grundare vatten.
Världen blev extremt het, stormhärjad och till stor del avskalad av växtliv. Haven var sura, syrebristande och avger giftiga gaser från dessa uråldriga mikrober, dödade nästan allt i sin väg.
Långt från utbrotten, i en gång skogkl
