ANDREW H. KNOLL

A FÖLD
RÖVID TÖRTÉNETE

Négymilliárd év nyolc fejezetben

A fordítás az alábbi kiadás alapján készült:

Andrew H. Knoll: A brief history of Earth – Four Billion Years in Eight Chapters, Custom House, 2021.

Published by arrangement with Custom House, an imprint of HarperCollins Publishers.

Copyright © 2021 by Andrew H. Knoll

Fejezetnyitó illusztrációk Todd Marshall

A 2., 8., 16., 44., 68., 98., 120., 144., 172. és a 196. oldalakon
található háttérképek © 1xpert/adobe.stock.com

3. ábra illusztrációja © Macrovector/adobe.stock.com

7. és 44. ábrák illusztrációi © Macrovector/adobe.stock.com

Fordította Kepes János

Hungarian translation © Kepes János, 2021

Hungarian edition © Open Books, 2021

Felelős kiadó Halmos Ádám

Felelős szerkesztő Tesfay Sába

Szerkesztő Bánsági Kinga

Szakmai lektor Molnár T. Eszter

Borítóterv Csík Vince

Műszaki szerkesztő Kovács Balázs Sándor

Elektronikus változat Békyné Kiss Adrien

ISBN 978-963-572-081-1

Marshának

Mindenért

Tartalom

Prológus: Egy kérés

1. A kémia Földje

2. A fizika Földje

3. A biológia Földje

4. Az oxigén Földje

5. Az állatok Földje

6. A zöld Föld

7. A katasztrófák Földje

8. Az ember Földje

Köszönetnyilvánítás

További olvasmányok

Prológus: Egy kérés

Mint valami póráz, a gravitáció egész életében a Földhöz köti az embert. Minden lépésnél érintkezik a kőzettel vagy a talajjal, még ha azt vékony rétegben aszfalt vagy padlódeszka borítja is. Ha azt hiszi, hogy megszabadult a gravitáció béklyójától, amikor a levegőbe emelkedik a gép, lelkesedése nem tarthat soká – pár órán belül újra diadalmaskodik a gravitáció, és megint szilárd talajra ér.

Földhöz kötöttségünk azonban messze túlmutat a gravitáción. Amit megeszünk, mind a légkör és az óceánok szén-dioxidjából készült, a talajból vagy a tengerből felszívott vízzel és tápanyagokkal együtt. Minden lélegzetünkkel oxigénben gazdag levegőt szívunk a tüdőnkbe, ennek segítségével tudunk energiát kinyerni a vacsorából. Ugyanakkor a légkörben levő szén-dioxid óv meg minket a megfagyástól. Aztán a fridzsiderajtó acélja, a „bádog” sörösdobozban az alumínium, a pénzérmében a réz, vagy okostelefonunkban a ritkaföldfémek – mind a Föld belsejéből származnak. Ehhez képest különös, legtöbbünket mennyire nem érdekel ez az óriási golyóbis, amely eltart minket, bár időnként, földrengések és orkánok alkalmával ki is szolgáltat az elemeknek.

Hogyan érthetjük meg, hogy milyen helyet tölt be a Föld a világegyetemben? Miként jöttek létre az életünket meghatározó kőzetek, a levegő és a víz? Mivel magyarázzuk a kontinenseket, hegyeket-völgyeket, földrengéseket és vulkánokat? Mi határozza meg a légkör vagy a tengervíz összetételét? És hogyan jött létre az élőlények elképesztő sokfélesége? Vagy ami talán a legfontosabb, hogyan hat a Földre és az élővilágra a saját viselkedésünk? Részben mai folyamatokat érintő, részben történelmi vizsgálódás tárgyát képező kérdések ezek, amelyek meghatározzák könyvünk kereteit.

A történet a mi otthonunkról, a Földről szól, és a felszínén elterjedt élőlényekről. A Földdel összefüggésben minden örökös, dinamikus változásban van, szemben az állandóságról alkotott általános tévhittel. Vegyük példának Boston éghajlatát, mely a mérsékelt övbe tartozik. Meleg nyarak, hideg telek, közepes mennyiségű csapadék, amely nagyjából egyenletesen oszlik el az év során. Az évszakok kiszámíthatók, így annak, aki már itt él néhány évtizede, mondjuk, mint én, az az érzése lehet, hogy nem érheti meglepetés. A meteorológusok azonban megmondhatják, hogy Boston idősebb lakói életében a város évi középhőmérséklete több mint egy Fahrenheit-fokkal (0,6 Celsius-fokkal) megemelkedett. Azt is tudjuk, hogy a szén-dioxid mennyisége a légkörben – a felszíni hőmérséklet egyik legfőbb meghatározója – az ötvenes évek óta nagyjából egyharmadával nőtt. Hasonlóképpen, globálisan emelkedik a tengerek vízszintje a mérések szerint, az óceánokban feloldott oxigén pedig körülbelül 3%-kal csökkent ahhoz az időhöz képest, amikor a Beatles egy csapásra világhíres lett.

A kis változások idővel felhalmozódnak. A Boston–London repülőút évente nagyjából 2,5 centiméterrel lesz hosszabb, mert az újonnan kiemelkedő tengerfenék Észak-Amerikát és Európát lassanként eltávolítja egymástól. Ha az időt visszatekerhetnénk, látnánk, hogy 200 millió éve Anglia és Új-Anglia ugyanazon a kontinensen volt, a köztük lévő hasadékvölgyekből – amilyeneket manapság Kelet-Afrikában látni – éppen csak kialakulóban volt egy óceáni medence. Hosszabb időskálán tekintve a Föld igazán mélyreható átalakuláson ment keresztül. Teszem azt, a fiatal Földön kószálva pillanatok alatt megfulladtunk volna az oxigénmentes levegőben.

A Föld és a rajta élő organizmusok története messze bámulatosabb akármelyik hollywoodi kasszasikernél, fordulatos cselekménye a legjobb thrillereken is túltesz. Több mint négymilliárd évvel ezelőtt a jelentéktelen fiatal csillag körül kóválygó kőtörmelékből apró bolygó állt össze. Ifjúkorában a Föld a katasztrófa peremén billegett, folyamatosan bombázták az üstökösök és meteorok, a felszínén lávaóceánok bugyogtak, légköre fojtogató volt a mérges gázoktól. Idővel azonban elkezdett lehűlni. Kontinensek képződtek rajta, szétváltak, majd megint összeütköztek, festői hegyláncokat gyűrve fel, melyek nagy részét aztán megette az idő vasfoga. Vulkánok törtek ki, milliószor hevesebben annál, amit ember valaha is látott. Eljegesedési ciklusok váltogatták egymást. Számtalan letűnt világ, csak most kezdjük összerakni a darabjaikat. Valamikor aztán, ezen a nyüzsgő színpadon egyszer csak, az élet is megvetette a lábát, idővel teljesen átalakította a bolygó felszínét, és utat nyitott a trilobiták, dinoszauruszok, majd egy beszédre, gondolkodásra, eszközkészítésre képes faj előtt, amely végül az egész világot átformálta.

Ha megismerjük a Föld történetét, megérthetjük, hogyan jöttek létre a hegyek, óceánok, fák és állatok, az arany, gyémánt, szén, olaj, az általunk belélegzett levegőről nem is beszélve. Eközben bolygónk története azt a kontextust is megteremti, amely nélkül nem érthetjük meg, hogyan alakítja majd át az emberi tevékenység a huszonegyedik század során a világot. Fennállásának túlnyomó részében a Föld teljességgel lakhatatlan volt emberek számára, tehát a geológia azzal a hosszú távú tanulsággal is szolgál, hogy ez a jelenlegi pillanat mennyire mulandó, törékeny és kivételes.

Manapság mintha a Jelenések könyvéből ollózták volna ki az újságok főcímeit. Sosem látott hevességű erdőtüzek Kaliforniában, lángol az Amazonas, hőségrekord Alaszkában, egyre gyorsabban olvad a jég Grönlandon, megahurrikánok pusztítanak a Karib-térségben és a Mexikói-öböl partvidékén, miközben az „évszázad áradásai” egyre rendszeresebbek Közép-Nyugaton. Csennai (korábbi nevén Madrász), India hatodik legnagyobb városa fogytán van a víznek, de már-már ugyanitt tart Fokváros és São Paulo is. Az élővilágról szóló hírek sem sokkal vidámabbak: Észak-Amerika madárállománya 1970-hez képest 30%-kal csökkent, a rovarpopuláció megfeleződött, tömeges korallpusztulás az ausztráliai Nagy-korallzátonyon, gyors ütemben csökken az elefántok és orrszarvúk egyedszáma, a kereskedelmi halászat világszerte veszélybe került. A populáció csökkenése ugyan még nem egyenlő a kihalással, de az egyes fajok ezen az úton indulnak el a biológiai végjáték felé.

Ámokfutásba kezdett volna a világ? Ha egyetlen szóval akarunk felelni rá: igen. És az okát is tudjuk: mi tehetünk róla. Az ember az, aki üvegházhatású gázokat nyom ki a légkörbe, amivel nemcsak felmelegíti a Földet, de egyre súlyosabb és gyakoribb hőhullámokat, aszályokat és viharokat is okoz. És az ember sodort teljes fajokat a kihalás szélére a föld újfajta használatával, kizsigerelésével, de egyre nagyobb mértékben magával a klímaváltozással. És ha erre gondolunk, a leghervasztóbb az egészben az emberek reakciója: az általános közöny, talán leginkább az én szülőhazámban, az Egyesült Államokban.

Mi az oka, hogy annyi ember a füle botját sem mozdítja, amikor pedig a bolygószintű változások már saját unokáink életét is mindenestül fel fogják forgatni? Csattanós választ adott erre a kérdésre 1968-ban Baba Dioum szenegáli erdőkerülő: „Végső soron mi csak arra vigyázunk, amit szeretünk, csak azt szeretjük, amit ismerünk, és csak azt ismerjük, amire megtanítottak.”

Ez a könyv tehát azon van, hogy ismerjük meg. Arra kér, hogy becsüljük meg ezt a hosszú utat, amelynek során bolygónk eljutott idáig. És arra buzdít, ismerjük fel, hogy az emberi tevékenység milyen mélységesen átformálja ezt a négymilliárd éves világot. A feladat pedig az, hogy ez ellen tegyünk is valamit.

1.
A kémia Földje

BOLYGÓ KELETKEZIK

Kezdetben volt… izé… hát szóval volt egy pont, egy pötty, egy paca, egyszerre felfoghatatlanul apró és elképzelhetetlenül sűrű. Nem a hatalmas üres világegyetemen belül egy pontban összegyűlt anyag. Hanem ez volt maga a világegyetem. Hogy hogyan került oda, senki sem tudja.

Ugyanennyire rejtélyes, hogy mi volt előtte, ha egyáltalán volt valami. De úgy 13,8 milliárd évvel ezelőtt ez az ősi világmag hirtelen tágulni kezdett – az „ősrobbanás” során, a „Nagy Bumm”-ban robbanásszerűen töméntelen mennyiségű anyag és energia áradt ki. Nem olyasfajta kövek és ásványok, amilyenek a mi életünkben mindennaposak, de még csak nem is a követ, levegőt, vizet alkotó atomok. A világegyetem hajnalán az anyag még csak kvarkokból, leptonokból és gluonokból állt, a szubatomi részecskék különleges kasztjából, amelyekből csak később álltak össze az atomok.

A világegyetemről és annak történetéről szóló tudásunk nagyrészt a létező legmegfoghatatlanabb forrásból: a fényből ered. Az éjszakai égboltot kirajzoló csillogó tűhegynyi pontok a legkevésbé sem történelemkönyvre emlékeztetnek. A fénynek azonban van két tulajdonsága, amely mégis sokat segít abban, hogy megismerjük a világegyetem kialakulását. Először is, a beérkező sugárzásban jelen levő különféle hullámhosszak intenzitása utal a fényforrásra. A mi szemünk csak a hullámhosszak viszonylag szűk skáláját érzékeli, pedig a csillagok és más égi objektumok széles spektrumban bocsátanak ki és nyelnek el sugárzást – a rádió- és mikrohullámoktól a röntgen- és gamma-sugarakig –, amelyek mind-mind másról árulkodnak. Nem mellékes az sem, hogy a fény betart egy egészen pontos sebességhatárt: a világűrben pontosan 299 792 458 métert tesz meg másodpercenként. A napsugár nyolc perc húsz másodperccel azelőtt indul el, hogy mi meglátnánk, a távolabbi csillagok és egyéb égitestek általunk érzékelt fénysugarai pedig még régebben – a legtöbbjük sokkal-sokkal hamarabb. És éppen emiatt történelemkönyv a csillagos égbolt.

Az égen egyenletesen szétszóródó mikrohullámok az ősrobbanásról és annak közvetlen következményeiről mesélnek, a pár százezer évvel az idő kezdete után kialakult csillagok első generációjának sugárzása történetesen mostanában érkezik el hozzánk. Hogyan alakultak ki ezek az első csillagok? A gravitáció tehet róla, a világegyetem főépítésze. Ez írja le a különböző égitestek közt támadó vonzalmat, amely a tömegükön és a köztük levő távolságon múlik. Amint kialakultak az atomok a fiatal, táguló univerzumban, a gravitáció rögtön egymás felé rántotta őket. Mind nagyobb lokális csoportosulások alakultak ki, ettől a vonzerejük is egyre nőtt, míg végül olyan forró, sűrű gömbökké omlottak össze, hogy a hidrogén atommagok fény- és hőkibocsátás kíséretében héliummá egyesültek. Amikor pedig ilyesmi történik, megszületik egy csillag. Amilyen nagyok és forrók voltak, még ha rövid életűek is, mindannak megszabták az útját, ami utánuk jött, beleértve minket is.

Az ősrobbanás által előállított anyag többnyire a legegyszerűbb elemből, hidrogénatomokból állt, némi deutériummal (hidrogén plusz még egy neutron), valamint héliummal keverve. Egészen minimális mennyiségű lítium is létrejött, illetve a többi könnyű elemből még annál is kevesebb, de ezenkívül nem sok minden. Vagyis volt ott még valami, amiről pontosan nem tudjuk, hogy micsoda. Az 50-es években a csillagászok nekiláttak, hogy a csillagok és galaxisok (csillagok sokasága, gáz és por, úgyszintén a gravitációval összetartott rendszerei) mozgásából kiszámolják a világűr mélyén ható gravitációs vonzóerőt. Ám hiába adták össze valamennyi ismert égitest tömegét, kevésnek bizonyult számításaik magyarázatához. Kell ott még lennie valaminek, ami a gravitáció révén hat a közönséges anyagra, a fénnyel viszont nem lép kölcsönhatásba. El is nevezték sötét anyagnak. A csillagászoknak vannak teóriáik arra, hogy mi lehet az, csak éppen senki sem biztos benne. Még ennél is titokzatosabb dolog a sötét energia, amit pedig ugyanúgy szükségesnek tartunk a világegyetem működésének magyarázatához. Úgy véljük, hogy mindennek, ami van, körülbelül 95%-át a sötét anyag és sötét energia teszi ki. Ezeket a sejtelmes összetevőket nem látjuk, nem is sokat tudunk róluk, mégis úgy gondoljuk, komoly szerepet játszottak a világ kialakításában. Bőven van még mit felderítenünk.

De térjünk vissza a közönséges anyaghoz. Amikor a csillagfényes korszak elkezdődött, a világegyetem még (jórészt) hidrogénatomok zavaros, hideg koktélja volt. Az első csillagok további héliumot termeltek, de egy Földet még nem lett volna miből összerakni (lásd a túloldali táblázatot). Honnan lett a bolygónk összeállításához szükséges vas, szilícium, oxigén? Vagy a testünket felépítő szén, nitrogén, foszfor és más elemek? Mindezek, akárcsak az összes többi elem, a csillagok egy következő generációjában jöttek létre, ezekben az atomkohókban jöttek létre az atomok, amelyekből egy szép napon a mi bolygónk is kialakulhatott. A nagy csillagokban uralkodó magas hőmérsékleten és nyomáson a könnyű elemek egybeolvadásával keletkezett a szén, oxigén, szilícium és kalcium, míg a vas, arany, uránium és a többi nehéz elem a szupernóváknak nevezett óriási csillagrobbanásokban kalapálódott össze. Az arcod, amit a tükrödbe nézve látsz, néhány évtizedes csupán, alkotóelemei ugyanakkor évmilliárdokkal ezelőtt alakultak ki az ősi csillagokban.

Felmérhetetlenül hosszú idők során csillagok keletkeztek és pusztultak el, és minden ciklusban a Földön és az élővilágban megtalálható elemek készlete újabbakkal gazdagodott. Galaxisok olvadtak össze, fekete lyukak képződtek (annyira sűrű területek, ahonnan még a fény sem képes kijutni), és lassanként kialakult a ma is látható világ.

Mi úgy 4,6 milliárd évvel ezelőtt kapcsolódunk be a történetbe. A Tejút nevezetű közönséges galaxis egyik spirálkarjában egy nem különösebben izgalmas felhőre összpontosítjuk a figyelmünket. Főképp hidrogénatomok, kevéske gáz, jég- és ásványi szemcsék. Kezdetben egy elmosódó, nagy, hideg felhő volt csupán (tényleg nagyon hideg, 10–20 kelvin, azaz –263–253 Celsius-fokos). De megpöccinthette valami közeli szupernóva, mert egyszer csak egy sokkal kisebb, sűrűbb és forróbb köddé kezdett összetömörülni. Ahogy a világegyetemben másutt már milliárdszor megtörtént, a gravitáció a nagy részét végül összerántotta egy forró, sűrű központi tömegbe, a mi Napunkba. A ködben levő hidrogén zöme bekerült a Napba, a jég- és ásványi szemcsék viszont elváltak bimbózó csillagunktól, és egy körülötte forgó korongba tömörültek. Nagyjából olyasmi lehetett, mint a mai Szaturnuszt körülvevő, apró részecskékből álló gyűrűk (1. ábra). Ez a korong eleinte annyira forró volt, hogy gőzzé alakította mindazokat az ásványokat és a jeget, amelyekből kialakult. Évmilliók alatt azonban kezdett lehűlni, előbb a külső régiókban, viszonylag lassabban pedig a forró Naphoz közelebb eső oldalon.

1. ábra Ez az Atacamai Nagyméretű Milliméteres Hálózat (Atacama Large Millimeter Array) által felvett különleges kép a HL Tauri fiatal, Nap jellegű csillagot és a protoplanetáris korongját ábrázolja. A képen kivehető gyűrűk és a köztük lévő rések azt mutatják, ahogy a keletkező bolygók megtisztítják a pályájukat a portól és gázoktól. 4,54 milliárd évvel ezelőtt nagyjából a mi Naprendszerünk is így nézhetett ki. ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA

Hétköznapi tapasztalatainkból tudjuk, hogy a különböző anyagok más-más hőmérsékleten olvadnak és szilárdulnak meg. A Föld felszínén például a víz 0 °C-on fagy jéggé, a szén-dioxidból viszont csak sokkal alacsonyabb hőfokon (–78,5 °C-on) lesz szárazjég. Hasonlóképpen a kőzetek ásványai olvadt állapotukból más-más hőfokon szilárdulnak meg a néhány száztól több mint 1000 °C-ig terjedő skálán. Így aztán a planetáris korong lehűlése közben az egyes anyagok különböző helyeken és időpontokban szilárdultak meg, attól függően, hogy milyen távol estek az izzó Naptól. Először a kalcium, alumínium és titánium oxidjai váltak ki, utána a fémes vas, nikkel és kobalt, és csak később, a fagyvonalnak elkeresztelt naptávolságon túl, a vízjég, a fagyott szén-dioxid, szén-monoxid, metán és ammónium – az óceánok, a levegő és az élőlények anyagai. Ásvány- és jégszemcsék ütközésével nagy részecskék, majd még nagyobb tömegek álltak össze. Néhány millió éven belül az egykori forgó korong helyén már csak maroknyi gömbszerű struktúra maradt. „A harmadik kő a Naptól” a Föld, ez a tőle körülbelül 150 millió kilométerre keringő, sziklás tömeg.

A Föld és az élővilág elemi összetétele
(tömegszázalék)

Földben

Vas

33

Oxigén

31

Szilícium

19

Magnézium

13

Nikkel

1,9

Kalcium

0,9

Alumínum

0,9

Az összes többi

0,3

Emberi test sejtjeiben:

Oxigén

65

Szén

18

Hidrogén

10

Nitrogén

3

Kalcium

1,5

Foszfor

1

Az összes többi

1,5