J. E. Lovelock:
GAIA

Szkennelte,
javította és tördelte: A Webtigris.
5. FEJEZET
A jelenkori légkör
Az emberi gondolkodásmód
egyik sötét foltja mindig
is a megrögzött előítélet
volt.
Mindössze
száz évvel ezelőtt
egů egyébként értelmes
és fogékony ember,
Henry Mavhew úgy írt
a londoni szegényekről, mintha
ők valamilyen idegen fajhoz tartoznának.
Mi másért különböznének
tőlünk ennyire? - gondolhatta.
A viktoriánus korban majdnem
hasonló jelentőséget
tulajdonítottak az egyén
társadalmi és családi
hátterének, mint manapság
néhány helyen az IQ
értéknek. Mostanában,
ha származást és
kutyabőrt magasztaló embereket
hallunk, nagy valószínűséggel
gazdálkodókról,
állattenyésztőkről,
vagy zsoké- és kutyafuttató
klubok tagjairól van szó.
Még
ma is, ha meghallgatunk valakit,
aki egy állásra pályázik,
hajlamosak vagyunk túlságosan
nagy szerepet tulajdonítani
az iskolai, egyetemi háttérnek
és a tudományos pályafutásnak.
Ezt inkább tekintjük
bizonyítéknak, mintsem,
hogy megtennénk a nehezebb
lépést és megpróbálnánk
a magunk számára kideríteni,
milyen és mire képes
a pályázó valójában.
Pár
évvel ezelőtt legtöbbünknek
még hasonlóan szemellenzős
képe volt bolygónkról
is.
A figyelem a távoli múltra
összpontosult. Mázsaszám
készültek tankönyvek
és cikkek kőzetmaradványokról
és az ősi tengerek életéről,
mi pedig hajlottunk annak elfogadására,
hogy ez a múltbatekintő szemlélet
képes velünk a Föld
tulajdonságairól és
képességeiről minden
szükséges ismeretet
közölni.
Ez majdnem annyira hibás,
mintha az állásra
pályázót ükapja
csontjainak megvizsgálásával
próbálnánk
felmérni.
Annak köszönhetően, amit
az űrkutatás segítségével
bolygónkról megtanultunk
és nap mint nap tanulunk,
nemrégiben változott
a kép.
A Holdról megpillantottuk
Nap körül keringő űrbéli
otthonunkat, és hirtelen
tudatára ébredtünk
annak, hogy nem közönséges
bolygó lakói vagyunk,
bármennyire is silány
és mocskos közelről
nézve az ember hozzájárulása
ehhez a látványhoz.
Bármi is történt
a távoli múltban,
kétségtelenül
élő részei vagyunk
a Naprendszer eme különös
és gyönyörű anomáliájának.
Figyelmünk afelé a Föld
felé fordult, amit már
képesek vagyunk az űrből
tanulmányozni, különös
tekintettel légkörének
sajátosságaira. Jóval
többet tudunk már akár
legszélesebb látókörű
apáinknál is a Földet
borító megfoghatatlan
gázfátyol viselkedéséről
és összetételéről,
annak kémiailag rendezetlen,
de a stabilitását
mindig megőrző, örökké
áramló, reaktív
gázok különös
keverékével teli felszínközeli
sűrűbb rétegeiről, valamint
gyér külső elegyéről,
amit a gravitációs
erő tapaszt bolygóméretű
házigazdájához.
Mielőtt
azonban bemutatnánk a hidrogénatom
viselkedését és
kilépnénk a légkörből,
álljunk meg és foglaljunk
össze néhány
tényt.
A légkörnek
számos, jól elkülöníthető
rétege van.
A földfelszínről induló
űrhajós először a troposzférán,
a legalsó, legsűrűbb rétegen
halad keresztül. Ez a légréteg
mintegy hét mérföldnyire
nyúlik fel. Itt található
majdnem valamennyi felhő és
itt zajlik az időjárás.
Itt van szinte az összes lélegző
teremtmény számára
a "levegő" is, melyben
közvetlen érintkezés
megy végbe Gaia élő
és gáznemű része
között.
Ez a réteg a légkör
teljes tömegének több,
mint háromnegyedét
foglalja magában.
A troposzféra érdekes
és szokatlan sajátossága
- amit a többi légköri
rétegnél nem találunk
meg -, hogy két részre
oszlik, nagyjából
az Egyenlítő mentén.
Az északi és déli
levegő nem keveredik szabadon, amint
azt bármilyen megfigyelő,
aki hajón utazik keresztül
a trópusi területeken,
azonnal észrevehet, mert
az ég a tiszta déli
és a viszonylag piszkos északi
félgömb között
különbözö.
A legutóbbi
időkig úgy vélték,
hogy a troposzféra gázai
nemigen keverednek egymással,
kivéve talán villámlás
vagy valami hasonló dolog
heves hőtermelése következtében.
Sir David Bates, Christian Junge
és Marcel Nicolet úttörő
légkörkémiai
kutatásainak köszönhetően
ma már tudjuk, hogy a troposzféra
gázai olymódon reagálnak
egymással, mintha valami
bolygóméretű, lassú,
hideg tűzben égnének.
Számos gáz oxidálódik,
és az oxigénnel való
reakció során távozik
a levegőből. Ezt a napsugárzás
teszi lehetővé, ami reakciók
bonyolult során keresztül
az oxigént nagyobb reakcióképességű
oxigénhordozókká,
azaz ózonná, hidroxilgyökké
és hasonlókká
alakítja.
Hét
és tíz mérföld
között - attól
függően, hogy a földfelszín
melyik pontjáról szállt
fel - űrhajósunk belép
a sztratoszférába.
A réteget azért nevezik
így, mert függőleges
irányban nehezen keveredik,
noha itt állandóan
többszáz kilométeres
sebességű erős szelek fújnak.
A hőmérséklet a sztratoszféra
alsó határán,
a tropopauzánál igen
alacsony, felfelé haladva
azonban növekszik.
A két réteg természete
szorosan összefügg a bennük
jelentkező hőmérsékletgradienssel.
A troposzféra folyamatos,
felfelé százméterenként
egyfokos hőmérsékletcsökkenése
megkönnyíti a levegő
függőleges mozgását
és a megszokott alakú
felhők képződése szabályszerűen
ismétlődik.
A sztratoszférában,
ahol feljebb van a meleg, a felmelegedett
levegő nehezen emelkedik fel, ezért
a vízszintes rétegű
stabilitás az általános.
A Nap ultraibolya sugárzásának
rövidebb hullámhosszú
és nagyobb energiatartalmú
sugarai behatolnak a felső sztratoszférába,
ahol az oxigént atomjaira
bontják. Ezek hamarosan ismét
összekapcsolódnak, igen
gyakran ózont képezve.
Az ibolyántúli sugárzás
az ózont megint elbontja,
így beáll az egyensúly,
maximálisan mintegy ötmilliomod
résznyi ózonsűrűségnél.
A sztratoszféra levegője
nem sokkal sűrűbb a Marsénál,
itt tehát semmilyen lélegző
élőlény nem maradhatna
életben. Mégha az
alacsony nyomású környezetet
nagynyomásúval helyettesítenénk
is, az élet ózonmérgezésben
gyorsan elpusztulna.
Amit néhány magasan
repülő nagytávolságú
légijárat összes
utasa és személyzete
ijedten és kényelmetlen
érzéssel tudott meg:
a sztratoszféra levegője
még akkor sem felel meg belégzésre,
ha elviselhető hőmérsékletűvé
és nyomásúvá
alakítják a repülőgép
belsejében.
Ennél még a szmog
is egészségesebb.
A sztratoszféra kémiája
nagyon érdekli az elméleti
tudósokat. Számos
vegyi reakció megy végbe
a gázfázis teljesen
elvont viszonyai között.
A tökéletességet
semmilyen laboratóriumi edény
fala nem korlátozza. Ezért
nem meglepő, hogy majdnem az összes,
a légköri kémiával
foglalkozó tudományos
munka mindeddig a sztratoszférára
és a magasabb rétegekre
összpontosított. A híres
légkörkutató,
Sidney Chapman által adott
név - kémiai légkörtan
- elég szokatlan.
Leszámítva
az ózonbomlás feltételezett,
de nem bizonyított következményeit,
a felszíni élőlények
kevesebbet törődnek a felsőbb
rétegekkel, mint az azt kutató
tudósok. Ezek nem bíráló
megjegyzések akarnak lenni,
csak tükrözik azt a tényt,
hogy a tudósok hajlamosak
azzal foglalkozni, ami mérhető
és alátámasztható.
Így lehetséges, hogy
a légkör nagyobb részét
alkotó troposzférát
kevésbé mérték
fel és értették
meg, noha minden valószínűség
szerint ez a rész kapcsolódik
leginkább Gaiához.
A sztratoszféra
feletti ionoszférában
a levegő végtelenül
ritka. Ahogyan felfelé emelkedve
egyre inkább a Nap heves,
szűretlen sugaraival kerülünk
szembe, úgy gyorsul a kémiai
reakciók sebessége
is. Ezekben a rétegekben-
kivéve a szén-monoxidot
és a nitrogént - majdnem
valamennyi molekuláris anyag
hajlamos alkotó atomjaira
bomlani. Néhány atom
és molekula tovább
bomlik ionokra és elektronokra,
elektromosan vezető rétegeket
képezve, melyek a műholdak
pályára állítása
előtti időkben rádióhullámokat
visszaverő és a bolygóméretű
kommunikációt lehetővé
tevő tulajdonságuk miatt
fontosak voltak.
A légkör
legkülső rétegét
képező rendkívűl ritka,
köbcentiméterenként
mindössze néhány
száz atomot tartalmazó
exoszféra a Nap hasonlóan
ritka légkörével
összefonódva képzelhető
el. Egy időben feltételezték,
hogy, a Föld oxigéntartalmú
légkörét a hidrogén
exoszférából
való szökése
alakította ki.
Ma már nemcsak azt vonjuk
kétségbe, hogy ez
a folyamat kellően nagy méretekben
zajlott le ahhoz, hogy felelős lehessen
az oxigénért, hanem
sejtjük azt is, hogy a Napból
eredő hidrogénáramlás
ellensúlyozza vagy akár
ki is egyenlíti a hidrogénatomok
elvesztését. A 3.
táblázat (az elektronikus
szövegből kimaradt) a levegő
fontos reaktív gázait,
koncentrációjukat,
tartózkodási idejüket
a légkörben, valamint
származásuk fő forrását
mutatja.
Mint korábban
elmondtam, először akkor kezdett
érdekelni annak lehetősége,
hogy a földi légkör
biológiai együttes,
nem pedig csupán gázok
tárháza, amikor azt
a feltételezést ellenőriztük,
hogy egy bolygó légkörének
összetételéből
megállapítható-e
az élet jelenléte
vagy hiánya.
Tapasztalataink igazolták
a feltevést, ugyanakkor meggyőztek
arról, hogy a földi
légkör annyira különös
és ellentmondásos
elegy, ami semmiképp sem
jöhetett volna létre
és maradhatott volna fenn
véletlenül. Úgy
látszott, majdnem minden
tény szembeszegül az
egyensúlyi kémia szabályaival,
mégis sikerült ebben
a nyilvánvaló rendezetlenségben
valami módon viszonylag állandó
és kedvező életfeltételeket
fenntartani.
Ha valami váratlan dolog
történik, olyasmi, ami
véletlennel nem indokolható,
akkor érdemes ésszerű
magyarázatot keresni.
Meg fogjuk látni, hogy a
Gaia-elméletnek az a feltételezése,
miszerint a bioszféra a körülöttünk
lévő levegő összetételét
aktívan tartja fenn és
szabályozza a földi
élet számára
optimális környezet
érdekében, vajon meg
tudja-e magyarázni légkörünk
különös szerkezetét.
Ezért ugyanúgy megvizsgáljuk
a légkört, ahogyan a
fiziológus a vér összetevőit
vizsgálja meg annak kiderítésére,
hogy mi célt szolgálhat
az élő teremtmény
fenntartásában, melynek
maga is részét képezi.
Kémiai
tekintetben - nem pedig mennyiségi
értelemben -az oxigén
a levegő domináns gáza.
Bolygónkon az oxigén
állítja be a kémiai
energia vonatkoztatási szintjét.
Ez bárhol a Földön
lehetővé teszi a tűzgyújtást,
amennyiben van jelen éghető
anyag. Elég jelentős kémiai
potenciálkülönbséget
biztosít ahhoz, hogy a madarak
repülhessenek, mi futhassunk,
testünket pedig télen
is melegen tarthassuk. Valószínűleg
ez teszi lehetővé a gondolkodást
is.
Az oxigénfeszültség
jelenlegi szintje úgy hat
a jelenkori bioszférára,
mint ahogyan a nagyfeszültségű
elektromos energia huszadik századi
életmódunkra.
A dolgok enélkül is
mennének a maguk útján,
de a lehetőségeink lényegesen
csökkennének.
A hasonlat
találó, mivel kényelmi
okokból a környezet
oxidálóképességét
a vegyészek is annak redukciós-oxidációs
(redoxi) potenciáljával
fejezik ki, elektromos úton
mérik és voltokban
adják meg. A kapott érték
nem más, mint egy olyan elméleti
telep feszültsége, aminek
egyik elektródája
az oxigénben, a másik
a tápanyagban van.
Majdnem
az összes oxigén, ami
zöld növények és
algák fotoszintézise
során keletkezett, viszonylag
rövid idő alatt keresztülhalad
a légkörön és
a másik alapvető élettevékenység,
a légzés révén
használódik fel.
Ez a kiegészítő
folyamat azonban nyilvánvalóan
soha nem hozhat létre nettó
oxigéntartalom-növekedést.
Akkor hogyan halmozódott
fel hát az oxigén
a légkörben?
Egészen
a legutóbbi időkig úgy
gondolták, hogy a fő forrás
a vízgőz felső légrétegekben
végbemenő fotolízise.
Ennek során a vízmolekulák
szétbomlanak, a könnyű
hidrogénatomok pedig elhagyván
a Föld gravitációs
terét lehetővé teszik
az oxigénatomok számára,
hogy azok párosával
oxigénmolekulákat
vagy hármasával ózonmolekulákat
képezzenek.
Ez a tényleges
nettó oxigéntartalomnövekedést
okozó folyamat - noha a múltban
fontos lehetett - a jelenlegi bioszféra
számára elhanyagolható
oxigénforrás. Aligha
kétséges, hogy a légköri
oxigén fő termelője - amint
azt először Rubey tételezte
fel 1951-ben - a zöld növények
és algák szöveteinek
szerves anyagában megkötött
szén egy részének
eltemetődése az üledékes
kőzetekben.
Évente a megkötött
szén mintegy 0.1 százaléka
kerül a föld alá
a szárazföldekről a
folyókba és tengerekbe
mosott és fújt növényi
maradványokkal, egy pótlólagos
oxigénmolekulát juttatva
a légkörbe minden egyes,
a fotoszintézis és
légzés körforgásából
ily módon kivont szénatom
ellenében.
Ha ez a folyamat nem létezne,
akkor az oxigén lassan, de
folyamatosan elfogyna a légkörből
az éghajlati változások,
földmozgások és
vulkanikus kitörések
miatt kiáramló redukáló
anyagokkal való reakciók
során.
Néha
cinikusan jegyzik meg, hogy a tudós
kiválósága
annak az időnek a hosszával
mérhető, ameddig saját
területén feltartotta
a haladást.
A nagy tudósok közül
Pasteur sem volt kivétel
az említett szabály
alól.
Tőle származik az az elképzelés,
hogy csak alacsonyrendű életformák
létezhettek az oxigén
légköri megjelenése
előtt.
Ez a vélemény sokáig
tartotta magát, de - ahogy
a 2. fejezetben már jeleztük
- mai elképzelésünk
szerint már az első fotoszintetizálók
is akkora kémiai potenciál
mellett működtek, mint amekkora
ma áll a mikroorganizmusok
rendelkezésére.
Kezdetben ez a jelentős energiapotenciált
képviselő gradiens csak az
ilyen élőlények sejtjeinek
belsejében volt megtalálható.
Később, ahogy ezek sokasodtak
a dolog mikrokörnyezetükre
is kiterjedt, majd az élettel
karöltve mindaddig folyamatosan
terjeszkedett, amíg a Föld
összes ősi redukáló
anyaga mind oxidálódott
és a légkörben
végre megjelenhetett a szabad
oxigén.
Az energiapotenciál különbsége
a fotoszintetizáló
sejtek oxigéntartalmú
anyagai és a külső redukáló
környezet között
azonban kezdettől fogva ugyanakkora
volt, amekkora ma a kívül
lévő oxigén és
a sejten belüli tápanyag
között van.
Az erős
potenciálforrások
azonban - legyenek azok kémiaiak
vagy elektromosak - kockázattal
járnak.
Az oxigén különösen
veszélyes. Jelenlegi atmoszféránk
21 %-os oxigéntartalmával
az élet számára
még biztonságos felső
határon helyezkedik el. Már
kis koncentrációnövekedés
is jelentősen növelné
a tüzek kockázatát.
Annak valószínűsége,
hogy villámcsapás
következtében erdőtűz
keletkezik, 70%-kal nőne, ha az
oxigénkoncentráció
1 %-kal haladná meg a jelenlegi
szintet.
25% feletti érték
esetén mostani szárazföldi
növényzetünknek
nagyon kis része élné
csak túl a dühöngő
tűzvészeket. Ezek a trópusi
esőerdöket és a sarki
tundrát egyaránt elpusztítanák.
Andrew Watson, a Readingi Egyetem
munkatársa a tűz valószínűségét
kísérletileg vizsgálta
meg, a természetes erdőkéhez
hasonló feltételek
mellett. Eredményeit az 5.
ábra mutatja. (az elektronikus
változatból kimaradt)
A természetes
tüzeket villámcsapás
vagy öngyulladás okozza,
valószínűségük
pedig nagyban függ a természetes
szerves tüzelőanyagok nedvességtartalmától.
Minden egyes görbe más
nedvességtartalomnak felel
meg, a teljesen száraztól
(0%) a szemmel láthatóan
nedvesig (45%). A jelenlegi oxigénsűrűség
(21 %) mellett 15%-os nedvességtartalom
felett nem keletkeznek tüzek.
25%-os oxigénszintnél
még a nedves ágak
és az őserdők aljnövényzete
is meggyulladna.
Az oxigén
mostani szintje azon az értéken
van, ahol a kockázat és
az előny éppen kiegyenlítik
egymást. Vannak ugyan erdőtűzek,
de nem túl gyakran, így
nem befolyásolják
azt a magas hatékonyságot,
amit a 21 %-os oxigénszint
biztosít.
Ez ismét csak úgy
van, mint az elektromos energiánál.
A szállítás
vesztesége és a kábelekben
felhasznált rézmennyiség
a tápláló feszültség
növelésével jelentősen
csökken, a háztartási
villamos energia 250voltos (Nagy-
Britanniában - a ford.) feszültsége
azonban pontosan akkora, ami még
éppen elfogadható
anélkül, hogy ugyanakkor
az áramütésből
eredő halálesetek és
az elektromos tüzek kockázata
elviselhetetlenné válna.
Az erőművek mérnökei
nem engedik találomra működni
berendezéseiket, hanem nagy
gonddal és gyakorlattal úgy
üzemeltetik, hogy lakásaink
elektromos hálózatának
feszültsége állandóan
biztonságos értéken
legyen.
Ezek után
hogyan marad állandó
a levegő oxigénszintje?
Mielőtt
megvitatnánk a biológiai
szabályozás természetét,
előbb az atmoszféra összetételét
kell részletesebben megismernünk.
Ha távcsövön vagy
mikroszkópon keresztül,
esetleg kémcsőben vizsgáljuk
valamelyik kiválasztott gázt,
akkor keveset tudunk meg a levegő
többi gázához
való viszonyáról
éppúgy, mintha egy
mondat értelmét kiragadott
szavainak elemzéséből
próbálnánk
megérteni.
A légkör
információtartalma
a gázok együttesében
található.
Az oxigént
- referenciagázunkat - tehát
a levegő azon gázaival összefüggésben
kell szemügyre vennünk,
melyekkel reakcióra lép
vagy léphet.
Kezdjük a metánnal.
Hutchinson
harminc évvel ezelőtt mutatta
ki, hogy a metán - más
néven mocsárgáz
- biológiai termék.
Ugy gondolta, hogy a gáz
leginkább a kérődzők
beléből származik.
Noha ez a forrás kétségkívül
létezik, ma már tudjuk,
hogy a nagyobb rész abból
a bakteriális erjedésből
ered, ami a tengerfenék anaerob
iszapjában és üledékében,
valamint a mocsarakban, a nedves
területeken és a folyóágyakban
zajlik, vagyis mindenütt, ahol
szén kerül vissza a
mélybe.
A mikroorganizmusok
által ily módon termelt
metán mennyisége meglepően
nagy, legalább egymilliárd
tonna évente. (A lakásainkba
engedett földgáz más
eredetű, ez fosszilis gáz
- a kőszén és a kőolaj
gáznemű megfelelője. Készletei
bolygóméretekben elhanyagolhatóak.
Nagyjából tíz
éven belül a csekély
földgáztartalékok
kimerülnek.)
A gáznemű
környezetét az élet
számára aktívan
optimumon tartó önszabályozó
bioszféra összefüggésében
jogos a kérdés, hogy
mi az egyes gázok, például
a metán feladata.
Ez éppoly
logikus, mint rákérdezni
a vérben található
cukor vagy inzulin feladatára.
A kérdésnek azonban
csak Gaia szempontjából
van célja és értelme,
valószínűleg ezért
nem tették fel már
jóval korábban is.
Mi tehát
a metán feladata, és
milyen kapcsolatban van az oxigénnel?
Az egyik nyilvánvaló
cél az eredetéül
szolgáló anaerob zónák
érintetlenségének
biztosítása.
A bűzös iszapból folyamatosan
felbugyborékoló metán
eltávolítja a környékről
a mérgező illóanyagokat
- például az ólom
és az arzén metilszármazékait
- és persze magát
az oxigént is, ezt az anaerob
szempontból szintén
mérgező elemet.
Amikor
a metán eléri a légkört,
ott az oxigéntartalom kétutas
szabályozójaként
jelenik meg, vagyis egyaránt
képes azt egy kissé
csökkenteni vagy növelni.
Az egyik
rész a sztratoszférába
jut. Itt szén-dioxiddá
és vízgőzzé
oxidálódik és
ezzel a felső légkör
elsődleges vízgőzforrásává
válik. A víz ezután
hidrogénre és oxigénre
bomlik.
Az oxigén lesüllyed,
a hidrogén az űrbe távozik.
Hosszú- távon ez a
folyamat a légköri oxigéntartalom
mennyiségileg csekély,
de valószínűleg nagyjelentőségű
növekedését biztosítja.
Egyensúlyban lévő
mérleg esetén a hidrogén
távozása mindig nettó
oxigénnyereséget jelent.
Másrészt
viszont a metán alsólégköri
oxidációja jelentős
mennyiségű oxigént
használ fel, évente
körülbelül 2000 megatonnát.
Ez a folyamat - melynek bonyolult
és finom reakcióit
jórészt Michael McElroy
és munkatársai tárták
fel - lassan és folyamatosan
megy végbe abban a levegőben,
melyben élünk és
mozgunk.
Egyszerű
számítással
kimutatható, hogy metántermelés
hiányában az oxigénkoncentráció
már 12000 év alatt
is egy százalékkal
nőne - ez igen veszélyes
változás és
geológiai idővel mérve
túlságosan is gyors.
Rubey
oxigénegyensúly-elmélete
- amit Holland, Broecker és
más kiváló
tudósok fejlesztettek tovább
- azt feltételezi, hogy a
légköri oxigénmennyiséget
az eltemetett szénből eredő
nettó nyereség és
a mélyből a földfelszínre
jutó redukáló
anyagok újraoxidációjából
eredő nettó veszteség
egyensúlya tartja állandó
értéken.
A bioszféra
azonban túlságosan
nagyteljesítményű
gép ahhoz, hogy szabadon
futhasson, miközben csak -
ahogy a mérnökök
mondják - passzív
szabályozórendszerrel
van ellátva.
Ez olyasmi lenne, mintha az erőmű
gőznyomását az elégetett
tüzelőanyag és a turbinák
hajtásához szükséges
gőz mennyiségének
egyensúlya határozná
meg. Meleg vasárnapokon,
mikor az energiafogyasztás
kicsi, a nyomás addig emelkedne,
amíg a kazánt robbanás
nem fenyegetné, ugyanakkor
csúcsidőben esne a nyomás
és nem lehetne a fogyasztást
kielégíteni.
A mérnökök ezért
aktív szabályozórendszereket
használnak.
Mint a 4. fejezetben bemutattuk,
ezek rendelkeznek valamilyen érzékelő
elemmel -például nyomásérzékelővel
vagy hőmérővel - ami az optimális
követelményektől való
bármilyen eltérést
jelez és a rendszer tápláló
energiájának kis részét
felhasználva megváltoztatja
az üzemanyag égési
sebességét.
Az oxigénkoncentráció
állandósága
aktív szabályozórendszer
jelenlétét feltételezi.
Ez valószínűleg képes
az optimális légköri
oxigéntartalomtól
való bármiféle
eltérés érzékelésére
és jelzésére,
ami a széneltemetődés
és a metántermelés
folyamatával állhat
kapcsolatban.
Amikor
a széntartalmú anyag
eléri a mély anaerob
zónákat, két
útja van: vagy metánt
képez, vagy eltemetődik.
Jelenleg az évi egymilliárd
tonna metán megtermelésében
résztvevő szénmennyiség
majdnem hússzorosa annak,
mint amennyi a föld alá
kerül. Ezért minden
olyan folyamat, ami ezt az arányt
meg tudja változtatni, képes
az oxigéntartalmat hatásosan
szabályozni. Amikor túl
sok oxigén van a levegőben,
a metántermelés útján
valószínűleg felerősödik
valamiféle figyelmeztető
jel és a szabályozó
gáz beáramlása
a légkörbe hamarosan
újra helyreállítja
az állandósult állapot
körülményeit.
A metánoxidáció
során nyilvánvalóan
elpazarolt energiát ily módon
az aktív, kis időállandójú
szabályozórendszer
elkerülhetetlen fogyasztásának
tekinthetjük.
Érdekes
az a gondolat, hogy a pocsolyák,
tavak és a tengerfenék
büdös iszapjában
élő anaerob mikroflóra
támogatása nélkül
nem írhatnánk és
olvashatnánk könyveket.
Az általuk termelt metán
hiányában az oxigénkoncentráció
elkerülhetetlenül olyan
mértékűre nőne, amiben
minden tűz általános
pusztulást jelentene és
a szárazföldi élet
lehetetlen volna, kivéve
a nedves területek mikroflóráját.
A másik
rejtélyes légköri
gáz a nitrogén-oxid.
A metánhoz
hasonlóan közel hárommilliomod
résznyi mennyiségben
van jelen a levegőben és
- ismét csak a metánhoz
hasonlóan - pillanatnyi koncentrációja
nincs összefüggésben
azzal, hogy milyen sebességgel
termelik a tenger és a talaj
mikroorganizmusai. A nitrogén-oxid
keletkező menynyisége évi
30 megatonna. Ez nagyjából
tizede annak, mint amennyi nitrogén
a légkörbe visszakerül.
Körülöttünk
sok nitrogén és nagyon
kevés nitrogén-oxid
van, mert a nitrogén igen
stabil, így felhalmozódik,
ugyanakkor a nitrogén-oxidot
a Nap ibolyántúli
sugárzása gyorsan
elbontja.
Biztosra
vehetjük, hogy a hatékony
bioszféra nem pazarolna energiát
ennek a különös gáznak
a létrehozására,
ha az nem rendelkezne valamilyen
hasznos feladattal.
A 6. ábra szövege:
Az oxigén és szén
körforgása a földi
légkör, a szárazföldek
és tengerek főbb készletei
között.
A mennyiségeket tetramól
egységekben adtuk meg: 1
tetramólnyi szén =
12 megatonna,1 tetramólnyi
oxigén = 32 megatonna.
A körökbe írt számok
évi forgalmat jelentenek.
A légkör és az
üledékes kőzetek készleteinek
számadatai azok nagyságát
jelzik.
Figyeljük meg, hogy a szén,
útban a tenger alatti üledékes
kőzetekben, a mocsarakban és
a nedves területeken zajló
eltemetődése felé,
legnagyobb részben "mocsárgázként",
metánként jut vissza
a légkörbe.
Két
lehetséges felhasználás
kerül szóba, mivel pedig
a biológiában megszokott
dolog, hogy ugyanaz az anyag egyszerre
több célt is szolgál,
ezért mindkettő fontos lehet.
Az első: a nitrogén-oxid
- hasonlóan a metánhoz
- részt vehet az oxigénszabályozás
feladatában. Az az oxigénmennyiség,
ami a talajból és
a tengerfenékből eredő nitrogén-oxid
útján kerül a
légkörbe, kétszerese
annak, ami képes lenne a
mélyből a Föld felszínére
jutó redukáló
anyagok oxidációja
révén keletkező veszteség
kiegyenlítésére.
A nitrogén-oxid ennélfogva
ellensúlyt képezhet
a metánnal szemben. Mindenesetre
elképzelhető, hogy a metán
és a nitrogén-oxid
termelése kiegészítik
egymást, és mindkettő
eszköze lehet az oxigénkoncentráció
gyors szabályozásának.
A nitrogén-oxid
másik lehetséges fontos
tevékenysége a sztratoszférabeli
viselkedésére vonatkozik.
A nitrogén-oxid
itt elbomlik, többek között
nitrogén-monoxidot képezve.
Utóbbi állítólag
az ózonpusztulás katalizátora.
Ez félelmetesnek tűnhet a
környezetvédők figyelmeztetéseinek
fényében, mely szerint
a világunkat jelenleg fenyegető
legnagyobb katasztrófa a
sztratoszféra ózonrétegének
pusztulása a szuperszónikus
repülés és a
szórópalackos termékek
következtében.
De ha a nitrogén-oxidok elbontják
az ózont, akkor a természet
már nagyon-nagyon régóta
foglalkozik az ózonréteg
elpusztításával.
Túl sok ózon éppoly
ártalmas, mint a túl
kevés. Itt is, akárcsak
a légkör többi
összetevőjénél,
van egy kívánatos
optimum. Az ózonmennyiség
még 0. 15%-kal növekedhet.
Ismereteink szerint több ózon
éghajlati szempontból
kedvezőtlen lenne.
Azt is
már határozottan tudjuk,
hogy a Nap ibolyántúli
sugárzása (UV) bizonyos
tekintetben hasznos és előnyös,
a vastagabb ózonréteg
pedig megakadályozná,
hogy elegendő mennyiség érje
a Föld felszínét.
Az emberben akkor képződik
D-vitamin, ha a bőr ki van téve
ibolyántúli sugárzásnak.
Túl sok UV bőrrákot
okozhat, túl kevés
- sokkal biztosabban - angolkórt.
Noha abból,
hogy a mikroorganizmusok nitrogén-oxidot
termelnek, nem várhatunk
el valamiféle különleges,
az egész bolygóra
kiterjedő előnyt saját fajtánk
számára, de ettől
még a kisenergiájú
UV-sugárzás más
fajok számára - általunk
még ismeretlen módon
- előnyös lehet.
Valamilyen szabályozóeszköz
mindenképpen a segítségünkre
lenne, a nitrogén-oxid és
a másik, nemrég felfedezett
biológiai eredetű légköri
gáz, a metil-klorid pedig
ezt a célt szolgálhatná.
Ha ez
így lenne, akkor a gaiai
szabályozórendszer
rendelkezne eszközzel annak
érzékelésére,
hogy túl sok vagy túl
kevés ibolyántúli
sugárzás jut át
az ózonrétegen, és
képes lenne a nitrogén-oxid
termelését eszerint
irányítani.
A másik
nitrogéntartalmú gáz,
ami nagy mennyiségben keletkezik
a talajban és a tengerben,
majd onnan a légkörbe
jut, az ammónia.
Ennek a gáznak a mennyiségét
nehéz meghatározni,
de becslés szerint nagyjából
1000 megatonna keletkezik évente.
A bioszféra, akárcsak
a metán esetében,
rengeteg energiát fordít
a kizárólag biológiai
eredetű ammónia előállítására.
Az ammónia
feladata majdnem biztosan a környezet
savasságának szabályozása.
Ha számba vesszük a
nitrogén és a kén
oxidációja következtében
keletkező savak összmennyiségét,
akkor láthatjuk, hogy a bioszféra
által termelt ammónia
éppen elegendő ahhoz hogy
az esővíz pH értékét
8-hoz közeli értéken
tarthassa, ami optimális
az élet számára.
Ammónia nélkül
mindenütt körülbelül
3-as pH értékű eső
esne.
Ez nagyjából az ecet
savasságának felel
meg.
Skandinávia és Észak-Amerika
egyes részein a dolog már
megtörtént és
állítólag erőteljesen
korlátozta a növekedést.
Úgy vélik, ennek oka
az iparban és otthonokban
felhasznált tüzelőanyagok
égetése az érintett
területeken, valamint a környező
sűrűn lakott térségben.
A legtöbb fűtőanyag ként
tartalmaz, aminek elégetés
után nagy része az
esőcseppekkel kénsav formájában
kerül vissza a talajba, az
érintett körzetekbe
pedig az uralkodó széljárás
juttatja el.
Az élet
képes a savasság elviselésére.
Gyomrunk emésztőnedvei szolgáltatnak
erre bizonyítékot,
az ecetsavasságú környezet
azonban messze van az optimálistól.
Igazán szerencsés
dolog, hogy az ammónia és
a savak a természet világában
mindenütt egyensúlyban
vannak, az eső pedig se nem túl
savas, se nem túl lúgos.
Ha elfogadjuk,
hogy Gaia kibernetikus szabályozórendszere
aktívan tartja fenn ezt az
egyensúlyt, akkor az ammóniatermelésben
kifejezett energiaköltséget
a teljes fotoszintézis-számla
részeként foghatjuk
fel.
A légkör
legnagyobb bőségben fellelhető
gáza a nitrogén.
Ez teszi ki a belélegzett
levegő 79%-át. A két
nitrogénatomot nitrogénmolekulává
egyesítő kötés
az egyik legerősebb a kémiában,
ezért a nitrogén vonakodva
lép reakcióra bármivel
is.
A nitrogén felhalmozódott
a légkörben, miután
a denitráló baktériumok
és az élő sejtek egyéb
folyamatai révén odakerült.
Innen csak lassan jut vissza különféle
szervetlen folyamatok, például
a zivatarok következtében
természetes lelőhelyére,
a tengerbe.
Kevesen
tudják, hogy a nitrogén
stabil formája nem gáz,
hanem a tengervíz oldott
nitrátionja.
Amint a 3. fejezetben már
láttuk, az élet megszűnésekor
a levegő nitrogénjének
legnagyobb része legvégül
oxigénnel vegyülne és
nitrátalakban térne
vissza a tengerbe.
Milyen
előnyei származnak a bioszférának
abból, hogy - eltérően
az egyensúlyi kémia
elvárásaitól
- folyamatosan nitrogént
pumpál a levegőbe?
Létezik
néhány lehetőség.
Egyrészt az egyenletes éghajlat
szempontjából valószínűleg
szükség van a légkör
jelenlegi sűrűségére,
a nitrogén pedig megfelelő
nyomásképző.
Másrészt viszont valamilyen,
a nitrogénhez hasonlóan
lassan reagáló gáz,
feltehetőleg jobb eszköz a
légköri oxigén
töménységének
csökkentésére,
hiszen láttuk, hogy a tiszta
oxigénatmoszféra katasztrofális
következményekkel járna.
Harmadrészt, ha az összes
nitrogén nitrátion
formájában a tengerben
lenne, ez csak súlyosbítaná
azt az amúgyis nehéz
problémát, hogy miként
lehet a sótartalmat az élethez
szükséges alacsony értéken
tartani.
Ahogy a következő fejezetben
látni fogjuk, a sejtmembrán
végletesen érzékeny
környezetének sótartalmára
és elpusztul, ha az meghaladja
a 0.8 molaritást.
Ebből a szempontból nincs
jelentősége, hogy az adott
só klorid, nitrát
vagy a kettő keveréke.
Ha az
összes nitrogén nitrátalakban
a tengerben lenne, a molaritás
0.6-ról 0.8-ra nőne.
Ez olymértékben megnövelné
a tenger ionizáltságát,
ami már összeegyezhetetlen
lenne az élet majd minden
ismert formájával.
Végezetül pedig, a magas
nitrátkoncentráció
a tenger sótartalmára
gyakorolt hatásától
függetlenül is mérgező.
Az erős nitráttartalmú
környezethez való alkalmazkodás
a bioszféra számára
körülményesebb
és energiaigényesebb
volna, mint a nitrogén egyszerű
légköri tárolása.
Az előzőek
bármelyike tényleges
oka lehet azoknak a biológiai
folyamatoknak, melyek a tengerből
és a szárazföldről
a levegőbe juttatják vissza
a nitrogént.
Nyilvánvaló,
hogy egy adott légköri
gáz mennyisége nem
jelzi annak fontosságát.
Az ammónia például
százmilliószorta ritkább,
mint a nitrogén, szerepe
azonban a szabályozás
szempontjából éppoly
fontos.
Az évente termelt ammóniamennyiség
valójában ugyanakkora,
mint a nitrogéné,
az ammóniaforgalom azonban
gyorsabb. A légköri
gázok mennyiségét
sokkal inkább reakciósebességük,
mint keletkezésük gyorsasága
határozza meg.
Úgy tűnik, hogy a ritkább
gázok nagyobb mértékben
vesznek részt az élet
dolgaiban.
Az egyik
legértékesebb hozzájárulás
a jelenkor kémiájához
a légköri gázok
bonyolult reakcióinak feltárása
volt.
ebből tudjuk, hogy a nyomokban jelenlévő
hidrogén, szén-monoxid
- a metán és oxigén
közötti reakció
közbenső termékei, ennélfogva
éppúgy biológiai
eredetűnek tekinthetők mint elődeik.
A levegő többi, nyomokban jelenlévő
gáza - mint az ózon,
a nitrogén-monoxid vagy nitrogén-dioxid
- ebbe a kategóriába
esik nagyszámú átmeneti
reakciótermékkel együtt,
melyeket a vegyészek szabad
gyököknek neveznek.
Ezek egyike
a metilgyök, a metiloxidáció
első terméke.
Évente nagyjából
egymilliárd tonnányi
halad keresztül a levegőn,
de - mivel a metilgyök élettartama
kevesebb, mint egy másodperc
- csupán egyetlen darab jut
a levegő minden egyes köbcentiméterére.
Ehelyütt nincs módunkban
bővebben beszámolni a reaktív
gyökök átfogó
kémiájáról,
de a dolog érdekes lehet
azok számára, akik
a levegő gázairól
többet szeretnének tudni.
A levegő
úgynevezett ritka nemesgázai
nem különösebben
ritkák, és nem teljesen
nemesek.
Egy időben ezeket ellenállónak
hitték bármilyen vegyi
hatással szemben, és
úgy gondolták, hogy
- a nemesfémekhez, vagyis
az aranyhoz és a platinához
hasonlóan - kiállnák
a savpróbát. Ma már
tudjuk, hogy közülük
kettő - a kripton és a xenon
- képes vegyületeket
alkotni. A család legelterjedtebb
tagja az argon, ami - a héliummal
és a neonnal együtt
- a levegő majd egy százalékát
teszi ki, úgyhogy aligha
nevezhető ritkának.
Ezek az egyértelműen szervetlen
eredetű, mozdulatlan gázok
hasznos segítségünkre
vannak az élettelen háttér
- mint az említett teljesen
sima, homokos tengerpart - és
az élő környezet szembeállításában.
Az ember
által előállított
gázok - például
a fluor-karbonok -, melyek legfőbb
forrása a vegyipar, és
melyek az ipar megjelenése
előtt soha nem kerültek a levegőbe,
alkalmasak az élettevékenység
jelzésére.
A Földet a Világűrből
figyelő külső szemlélő,
miután felfedezte a légkörben
az aeroszol-hajtógázokat,
nem kételkedne abban, hogy
bolygónk életet és
valószínűleg valamiféle
értelmet is hordoz.
A természettől való,
magunkra vállalt tartós
elidegenedés során
hajlamosak vagyunk azt hinni, hogy
ipari termékeink nem "természetesek".
Valójában éppen
úgy természetesek,
mint a Föld bármely
más kémiai anyaga,
mivel mi, akik nyilvánvalóan
élőlények vagyunk,
állítottuk őket elő.
Ezek az
anyagok lehetnek persze agresszívek
vagy veszélyesek - mint az
ideggázok - de nem jobban,
mint a botulinus bacilus által
termelt toxin.
Végezetül
elérkeztünk a légkörnek
és magának az életnek
is lényeges alkotórészeihez,
a szén-dioxidhoz és
a vízhez. Az élet
számára alapvető fontosságúak,
de biológiai szabályozottságuk
lehetőségének igazolása
nem egyszerű. A legtöbb biokémikus
egyetért abban, hogy a légkör
0.03%-os széndioxid-tartalmát
rövid távon a tengervízzel
való egyszerű reakciók
tartják állandó
értéken. Vagy, ha
a műszaki gondolkodásúaknak
jobban tetszik: a szén-dioxid
és a víz egyensúlyban
van a bikarbonsavval és oldott
anionjával.
Az óceánban
közel ötvenszer annyi
szén-dioxid van ilyen oldott
formában, mint a levegőben.
Ha a levegő széndioxid-tartalma
bármilyen okból visszaesne,
akkor az óceán hatalmas
tartalékainak egy része
felszabadulna és helyreállítaná
az eredeti szintet. Jelenleg a légkörben
a széndioxid-mennyiség
növekszik a fosszilis tüzelőanyagok
széleskörű felhasználása
miatt. Ha holnap abbahagynánk
ezeknek a fűtőanyagoknak az elégetését,
akkor nem tartana sokáig
- talán harminc évig
- hogy a légköri széndioxid-tartalom
beálljon normális
szintjére, ahol egyensúlyban
van a tenger bikarbonát ionjával.
A szerves
tüzelőanyagok elégetése
a légköri szén-dioxid-mennyiséget
12%-kal emelte. Ennek az ember által
okozott változásnak
a jelentőségét a 7.
fejezetben vitatjuk meg.
Ha a széndioxid-tartalmat
Gaia szabályozza, akkor közvetett
módon valószínűleg
inkább segíti az egyensúly
elérését, nem
pedig ellene dolgozik. Visszatérve
a tengerparti hasonlathoz, a homokvár
építése előtt
célszerű a göröngyös
homokfelületet lesimítani.
Nem könnyű azonban különbséget
tenni az indukált és
a természetes egyensúlyi
állapotok között,
ez kizárólag csak
a környezeti bizonyítékok
alapján végezhető
el.
Hosszútávon, geológiai
időtartamban mérve a földkéreg
és az óceánok
szilikát- és karbonátkőzetei
közötti egyensúly
- ahogyan Urey feltételezte
- még jelentősebb tartalékokat
biztosít a széndioxid-szint
állandó értéken
tartásához. Szükség
van-e Gaia beavatkozására,
ha a helyzet ennyire szabályozott?
Szükség lehet rá
abban az esetben, ha a bioszféra
szempontjából az egyensúly
elérése nem elég
gyors. Ez hasonlít ahhoz
az esethez, amikor az ember egy
kora tavaszi reggelen felfedezi,
hogy nem tud munkába menni,
mert az ajtót eltorlaszolta
a hó. Tudjuk, hogy az idővel
majd elolvad, de nem tehetjük
meg, hogy a természetre várunk,
amíg rendbehozza a dolgot,
hanem lapátot kell ragadnunk
és gyorsan eltakarítanunk.
Sok jele
van annak, hogy Gaia türelmetlenül
nézi, ahogy a szén-dioxid
kényelmesen halad a természetes
egyensúlya felé. A
legtöbb élő szervezetben
fellelhető a karbon-anhidráz
nevű enzim, ami a szén-dioxid
és a víz reakcióját
gyorsitja meg.
Karbonáttartalmú csontvázak
folyamatos árama halad a
tengerfenék felé.
Ezek végül kréta-
és mészkőágyakat
képeznek, megakadályozva
ezáltal, hogy a szén-dioxid
megrekedjen a tenger felsőbb rétegeiben.
Dr. A.E. Ringwood pedig azt feltételezi,
hogy amikor a különféle
életformák feltörik
a sziklákat és a talajt,
ez meggyorsítja a szén-dioxid
és a víz, illetve
a karbonáttartalmú
kőzetek közötti reakciót.
Lehetségesnek
tűnik, hogy az élet közbeavatkozása
nélkül a szén-dioxid
veszélyes mértékben
halmozódna fel az atmoszférában.
"Üvegház-gázként"
való jelenléte a jelenlegi
légkörben - a vízgőzzel
együtt - több tíz
fokkal magasabb hőmérsékletet
okozna, mint amennyi egyébként
uralkodik. Ha a széndioxid-szint
a szerves tüzelőanyagok elégetése
következtében gyorsabban
emelkedne, mint amivel az egyensúlyra
törekvő szervetlen folyamatok
meg tudnak birkózni, akkor
komollyá válhat a
túlmelegedés fenyegetése.
Szerencsére ez az üvegház-gáz
erős kölcsönhatásban
van a bioszférával.
A szén-dioxid nemcsak a fotoszintézishez
szükséges szén
forrása, de valamennyi heterotrof
(nem fotoszintetizáló)
szervezet is kivonja azt a légkörből
és szerves anyaggá
alakítja. Még az állatok
is használnak fel kis mennyiségű
légköri szén-dioxidot
és természetesen majdnem
az összes élő szervezet
szén-dioxidot ad le légzése
során.
Minél inkább úgy
tűnik, hogy egy adott gáz
légköri koncentrációját
szervetlen egyensúlyi vagy
állandósult állapotbeli
folyamatok tartják fenn,
valószínűleg annál
nagyobb a biológiai szerepe.
Ez nem meglepő a környezetet
aktívan szabályozó
bioszféra fényében,
melynek célja, hogy a meglévő
körülményeket mindig
saját hasznára fordítsa.
Egy másik
különös és
sokoldalú anyagnak, a hidrogén-oxidnak,
- más néven víznek
- biológiai szerepe hasonlóan
alakul, de az még alapvetőbb.
A víz körforgását
az óceánból
a légkörön keresztül
a szárazföldre nagyrészt
a Nap energiája hajtja, de
párolgás révén
az élet is ragaszkodik a
részvételhez. A napfény
ugyan vizet párologtat el
a tengerből, ami azután eső
formájában a szárazföldre
jut, de nem képes a Föld
felszínén spontánul
a vízből kihasítani
az oxigénatomot, sem pedig
bonyolult vegyületekhez és
struktúrákhoz vezető
reakciókat gerjeszteni.
A Föld
a víz bolygója. Víz
nélkül nem lenne élet
és az még mindig végletesen
függ a víz részrehajlás
nélküli bőkezűségétől.
Minden eltávolodás
az egyensúlyi helyzettől
a víz vonatkoztatási
szintjétől való eltérést
jelenti.
A savasság
és lúgosság
értékét, valamint
az oxidációs és
redukciós potenciálokat
a víz semlegességéhez
viszonyítva mérjük.
Az emberi faj az átlagos
tengerszintet használja a
magasság- és mélységmérés
kiindulópontjául.
A szén-dioxidhoz
hasonlóan a vízgőz
is üvegházi tulajdonságú,
és szoros kapcsolatban áll
a bioszférával is.
Ha elfogadjuk azt az elméletet,
hogy az élet a légköri
környezetet aktívan
szabályozza és szükségleteihez
igazítja, akkor a vízgőzzel
való kapcsolata igazolja
azt a következtetésünket,
hogy a biológiai körfolyamatok
és a szervetlen egyensúlyi
folyamatok összeférhetetlensége
inkább csak látszólagos,
nem pedig valóságos.
|