För att förstå jordens motståndskraft modellerar forskare vid ETH Zürich klimatförändringar från förr i tiden. Och de visar att växter inte bara är offer för omständigheterna, utan har hjälpt till att forma klimatförhållandena på jorden.
Under loppet av hundratals miljoner år har jorden genomlevt en rad klimatförändringar, som format planeten som vi känner den idag. Tidigare ändringar i CO2 nivåer och temperatur kan hjälpa oss att förstå planetens svar på den globala uppvärmningen idag.
Som en del av ett växande område som kallas biogeodynamik, tävlar forskare om att förstå hur sådana förändringar har påverkat livet på planeten tidigare. "Vi försöker förstå processer som är relevanta för nutiden med hjälp av det geologiska förflutna", säger Julian Rogger, som fokuserar på biogeodynamik vid Institute of Geophysics vid ETH Zürich.
Rogger är fascinerad av samspelet mellan växtliv och klimat. Än så länge är vår planet den enda vi känner till i universum som är lämpad att stödja levande organismer. Dess klimatförhållanden tillåter närvaron av tillräckligt med flytande vatten för att växter och andra komplexa organismer ska trivas, eller åtminstone överleva.
När planetens klimat förändras påverkar det växtlivet, vilket tvingar ekosystemen att utvecklas och anpassa sig till förändrade förhållanden. "Jag är intresserad av livets roll i hela systemet", säger Rogger. "Jag tycker att det är väldigt fascinerande att rekonstruera världen som den var för miljoner år sedan."
I en artikel publicerad nyligen i tidskriften Science Advances , Rogger och kollegor från ETH och University of Leeds hävdar att dessa växter inte bara är passiva deltagare i jordens klimatcykel – de kan spela en viktig roll i att forma den. "Vi skulle kunna anta att livet bara reagerar på förändringar, men det är också möjligt att det interagerar med systemet och reglerar det", säger Rogger.
För att visa hur använde Rogger datormodeller som simulerar samspelet mellan klimatförändringar, kontinenternas rörelse och växtliv i det djupa förflutna. Modellerna indikerar att växter förmodligen hjälper till att reglera sammansättningen av planetens atmosfär genom att fånga upp kol och släppa ut syre, vilket hjälper till att kontrollera CO2 nivåer.
De påskyndar också processen för mineralvittring i jordar, en process som förbrukar CO2 . Roggers modeller tyder på att planetens klimat och atmosfär är en del av en återkopplingsslinga:Livet i sig spelar en roll för att reglera eller accelerera klimatförändringar.
När förändringen är långsam – tillräckligt långsam för att växter ska utvecklas eller spridas till nya nischer under miljontals år – kan växtaktiviteten fungera som en buffert och förhindra att temperaturerna skiftar för snabbt. Men geologin och fossilregistret visar att det också var förändringar som skedde för snabbt och resulterade i stora störningar av vegetationen och till och med massutrotningar.
"Vad vi vill veta är hur snabbt växtlighet kan ändra sina egenskaper när världen plötsligt blir 5 eller 6 grader varmare", säger Rogger. "Det övergripande målet är att förstå samutvecklingen av klimat, vegetation och tektonik."
Rogger och hans medförfattare – ett tvärvetenskapligt team av geologer, datavetare och jordforskare – skapade en datormodell av de senaste 390 miljoner åren som tog hänsyn till förändringarna av kontinenterna och klimatet och vegetationens svar på dessa förändringar. Att köra simuleringar på kraftfulla superdatorer kan fortfarande ta upp till en månad, med tanke på problemets komplexitet och hur lång tid de ska representera.
När det är möjligt använder teamet geologiska data för att göra modellerna så realistiska som möjligt:Kemisk analys av sediment kan till exempel vara en indikator för koldioxidnivåer i det förflutna. Fossiler kan visa sig när dramatiska förändringar i klimatet ledde till massutrotningar, eller utvecklingen av nya ekosystem som svar på förändrade förhållanden.
Modellerna visar att långa perioder av stabilitet gör det möjligt för växtlighet att blomstra och absorbera CO2 och stabilisera jordens klimat över tid. I sina modeller såg teamet att växter kunde utvecklas tillräckligt snabbt för att anpassa sig till gradvisa förändringar i klimat och landskap på grund av till exempel kontinentaldrift.
Men när klimatsystemet störs och förändras för snabbt för att växtligheten ska anpassa sig, händer det motsatta:Växter utplånas och kan inte fungera som en buffert för att bromsa nedväxlingar i klimatet. Utan växter som bromsar sker miljöförändringar ännu snabbare och drivs vidare mot det extrema.
"Det är som en feedbackeffekt", förklarar Rogger. "Eftersom regleringen faller bort kan du få en starkare ökning av CO2 och mer klimatförändringar än vad som tidigare förväntats."
I det geologiska dokumentet åtföljs plötsliga klimatförändringar ofta av massutrotningshändelser. "Det finns starka växtlighetsförändringar där det tog tusentals till miljontals år för växtlighet att anpassa sig och återhämta sig," säger Rogger, "och det som återhämtar sig kan vara väldigt annorlunda än vad som fanns där tidigare."
Det är inga goda nyheter. "Den förändringstakt vi har för tillfället tros vara oöverträffad under de senaste 400 miljoner åren", säger Rogger. "Det kan bli en minskning av vegetationens förmåga att reglera klimatet om det sker en kraftig förändring, som vi upplever nu."
I en tid då jordens klimat förändras snabbare än någonsin tidigare, har Roggers forskning praktiska konsekvenser:Information från det förflutna kan hjälpa människor idag att förstå hur motståndskraftiga jordens sammankopplade system är.
"Hur snabbt kan ekosystemen reagera på förändringar i klimatet och landskapet? Det är en av de största okända sakerna", säger han. "Det är en akut fråga - hur motståndskraftig är jorden?"
Mer information: Julian Rogger et al, Speed of thermal adaptation of terrestrial vegetation förändrar jordens långsiktiga klimat, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4408
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av ETH Zürich
