Mokslo ir technologijų pasaulis

Ką jūs, kaip mokslininkas, darote, jei atrandate ką nors, kas akivaizdžiai prieštarauja vadovėliams? Mudu kaktomuša susidūrėme su šia problema 2005-aisiais. Vyravo požiūris, kad šiltnamio efektą sukeliančias dujas – metaną gali gaminti tik deguonies nereikalaujantys mikroorganizmai (anaerobinės bakterijos). Tačiau mūsų tyrimai netikėtai atskleidė, kad žalieji augalai taip pat išskiria šias dujas – ir gana gausiai.

Pirmiausia ėmėme ieškoti klaidų savo eksperimento modelyje ir kiekviename įsivaizduojamame scenarijuje. Kai įsitikinome, kad mūsų rezultatai teisingi, supratome, kad peržengėme kažką labai svarbaus. Pradėjome galvoti apie savo atradimų pasekmes ir tai, kaip jas pateikti kitiems tyrinėtojams. Net mums patiems buvo sunku pripažinti šį atradimą, o bandyti tuo įtikinti kitus mokslininkus bei visuomenę buvo praktiškai neįmanoma. Svarbiausia, turėjome paaiškinti, kaip toks svarbus metano šaltinis liko nepastebėtas daugelio gabių tyrėjų, dešimtmečiais studijavusių metaną ir sprendusių klimato pokyčių galvosūkį.

Gamtinės dujos

Daugelis žmonių žino, kad metanas (užrašomas chemine formule CH4) yra gamtinės dujos. Randamas naftos telkiniuose ar anglies kloduose, nekalbant jau apie gamtinių dujų telkinius, metanas tapo svarbiu energijos šaltiniu ir tikėtina, kad dėl ribotų planetos naftos atsargų toks ir liks.

Kasmet į atmosferą pakyla apie 600 mln. tonų tiek antropogeninės (dėl žmogaus veiklos), tiek natūralios kilmės metano. Buvo manoma, kad didžioji šios emisijos dalis atsiranda dėl anaerobinių bakterijų veiklos, pūnant neiškastinėms organinėms medžiagoms. Daugiausia metano išsiskiria pelkėse, liūnuose ir ryžių laukuose. Šias dujas, kaip šalutinį virškinimo produktą, išskiria galvijai, avys ir termitai. Metanas išsiskiria per miškų ir savanos gaisrus bei deginant iškastines organines medžiagas. Bėgant metams tyrinėtojai įgijo daugiau žinių apie visuotinį metano ciklą ir 2001 m. Tarpvyriausybinė klimato pokyčio specialistų grupė (IPCC) nutarė, kad galimi pagrindiniai jo šaltiniai nustatyti (ir belieka išsiaiškinti, koks yra konkretus kiekvieno jų įnašas).

Nepaisant to, kai kurių stebėjimų rezultatai buvo sunkiai suprantami. Pavyzdžiui, didžiuliai metano koncentracijos atmosferoje svyravimai ledynmečiais ir šiltaisiais laikotarpiais, apie kuriuos duomenys buvo surinkti tyrinėjant lede įšalusius oro burbuliukus, buvo nepaaiškinami. Bet kadangi niekas neįtarė, kad be anaerobinių bakterijų yra ir kitų biologinių metano šaltinių, 2001-aisias mokslininkai į tiesiogines emisijas neįtraukė augalų išskiriamų šių dujų.

Išsiaiškinti metano šaltinius ir tai, kiek pastarieji išskiria dujų, yra labai svarbu, nes jo poveikis šiltnamio efektui tikrai didelis: nors anglies dioksido į atmosferą kasmet išmetama žymiai daugiau, tačiau kilogramas metano sušildo žemę 23 kartus labiau nei kilogramas anglies dioksido*. Dėl žmonių veiklos metano koncentracija atmosferoje per pastaruosius 150 metų beveik patrigubėjo. Ar taip ji didės ir XXI amžiuje? Ar galima šias emisijas sumažinti? Į šiuos klausimus turi atsakyti klimato tyrėjai, o tam turime išsiaiškinti šių svarbių dujų kilmę ir likimą.

Stulbinantys atradimai

Idėja tirti augalus kaip metano šaltinį mums kilo prieš keletą metų vadovaujant chlormetano tyrimams Šiaurės Airijoje. Iki tol buvo manoma, kad šios ozono sluoksnį ardančios chlorintosios dujos susidaro vandenynuose ir miškų gaisrų metu, bet tyrinėdami atradome, kad didžiąją dalį atmosferoje aptinkamo chlormetano išskiria pūvančios augalų liekanos. Kadangi metanas, kaip ir chlormetanas, susidaro biomasės degimo metu, susidomėjome, ar gyvi augalai taip pat gali išskirti šias dujas.

Norėdami patenkinti savo smalsumą, surinkome trisdešimt skirtingų rūšių medžių lapų ir žolių iš atogrąžų bei vidutinio klimato regionų ir išdėliojome juos į mažas kameras su įprasta atmosferoje deguonies koncentracija. Mūsų nuostabai visi tiriamieji augalai išskyrė mums rūpimas dujas. Paprastai vienas gramas sausos augalinės medžiagos išskiria nuo 0,2 iki 3 nanogramų (viena milijardinė gramo dalis) metano per valandą. Tokius mažus kiekius, netgi naudojant ypač jautrią moderniausią įrangą, stebėti buvo sudėtinga.

Uždavinį sunkino tai, kad turėjome atskirti augalų pagamintą metaną nuo foninio, įprastai cirkuliuojančio aplinkos ore. Matyt, tai ir trukdė biologams pastebėti šį reiškinį anksčiau.

Atradimą patvirtinti pavyko tik išvengus natūraliai egzistuojančio foninio metano įtakos: kiekvieno eksperimento pradžioje pripūsdavome kameras oro, iš kurio buvo pašalintas metanas. Tik taip galėjome nustatyti, kiek šių dujų išskiria augalų audiniai.

Mūsų smalsumas buvo pakurstytas, tad pradėjome panašius bandymus su gyvais augalais. Nustatėme, kad išskiriamo metano kiekis žymiai padidėjo: šoktelėjo nuo 10 iki 100 kartų, palyginti su tuo, kurį išskyrė nuo augalų atskirti lapai. Atlikome dar keletą eksperimentų, kurių metu neleidome be deguonies gyvuojančioms bakterijoms išskirti metano. Pagaliau buvome visiškai tikri, kad gyvi augalai išskiria žymų metano kiekį.

Kaip tiksliai šis reiškinys vyksta, atsakyti negalėjome, nors manome, kad metano išsiskyrimą lemia pektinas – medžiaga, esanti augalų ląstelių sienelėse. Nusprendėme, kad šis klausimas turėtų būti atidėtas vėlesniems tyrimams; šiuo metu jie jau vykdomi. Dėl metano įtakos klimato kaitai, supratome, kaip svarbu pradėti skaičiuoti šio naujai atrasto šaltinio į atmosferą išskiriamų dujų kiekį.

Kiek augalai gali prisidėti prie bendro žemės atmosferos metano kiekio? Kadangi augmenija dengia žymią planetos dalį, iš karto aišku, kad net jei vienas lapas ar augalas išskiria visai mažai metano, bendras jo kiekis yra didelis. Apstulbino mūsų skaičiavimų rezultatai: augalai kasmet išskiria nuo 60 iki 240 mln. tonų šių dujų. Tai sudarytų 10–40 proc. pasaulinės metano emisijos. Didžioji jos dalis, maždaug du trečdaliai, tenka augmenijos turtingoms atogrąžoms. Be abejo, žinojome, kad skaičiavimai, gauti pasaulio mastu pritaikius laboratorinių matavimų rezultatus, gali būti labai apytiksliai arba net klaidingi. Galutiniai skaičiai atrodė labai dideli. Tad, jei jau tai nustebino mus, turėjo atrodyti tikra erezija daugeliui mūsų dienų mokslininkų.

Laimei, netrukus mūsų darbas buvo netikėtai patvirtintas. 2005 m. grupė aplinkotyros fizikų iš Heidelbergo, Vokietijos, per palydovus stebėjo žemės atmosferą iš kosmoso. Palydoviniai matavimai virš atogrąžų miškų rodė ištisus metano debesis. Tyrėjai teigė, kad stebėjimų rezultatai negali būti paaiškinami remiantis turimomis žiniomis apie pasaulio metano šaltinius. Tačiau žvelgiant per mūsų atradimo prizmę šie rezultatai buvo suprantami: metano debesų šaltinis – tai žalioji augmenija.

Tradicinis požiūris

Dar vieną patvirtinimą neseniai pateikė 1995 m. Nobelio premijos laureatas Polas J. Krucenas (Paul J. Crutzen) su kolegomis. Kai 2006-ųjų sausį buvo paskelbtas mūsų atradimas, jie iš naujo ištyrė 1988 m. atlikto Venesuelos savanos oro pavyzdžių matavimo rezultatus ir padarė išvadą, kad šio regiono augmenija gali išskirti 30–60 mln. tonų metano. Krucenas sakė: „1988-aisiais galėjome padaryti šį atradimą, tačiau laikėmės bendrosios nuostatos, kad metaną gali išskirti tik anaerobinės bakterijos ir šią progą praleidome.“

Vis dėlto šių atradimo patvirtinimų dauguma mokslininkų vis dar nepaiso ir į teiginį, kad augalai išskiria metaną, žiūri skeptiškai, ypač į mūsų skaičiavimą, kiek jo išskiriama. Todėl daug mūsų kolegų perskaičiuoja šį įnašą remdamiesi kitais metodais, tačiau taikydami mūsų pateiktus metano emisijos skaičius.

Seno galvosūkio sprendimas

Mūsų atradimas galėtų išspręsti galvosūkį, ilgus metus neduodantį ramybės klimato tyrinėtojams: kodėl metano lygis ir pasaulinė temperatūra kinta lygiagrečiai? Planetos ledo danga yra kaip natūralus archyvas, saugantis beveik milijono metų informaciją apie atmosferos sudėtį ir klimato kaitą. Lede įšalę oro burbuliukai rodo praeities atmosferos dujų koncentraciją. Pavyzdžiui, matyti, kad senovėje anglies dioksido lygio kitimas buvo glaudžiai susijęs su pasaulinės temperatūros pokyčiais: ledynmečiais anglies dioksido koncentracija maža, o šiltaisiais laikotarpiais ji didėja. Ta pati tendencija būdinga ir metanui, bet to priežastys buvo neaiškios. Mokslininkai mėgino paaiškinti neįprastus metano lygio svyravimus tyrinėdami pelkių modelius, mat buvo manoma, kad pelkės – vienas pagrindinių natūralių metano šaltinių. Deja, šie modeliai neleido paaiškinti metano koncentracijos atmosferoje skirtumų ledynmečiais ir šiltaisiais laikotarpiais.

Naujas požiūris

Taip pat buvo manoma, kad to priežastis yra dujos, žinomos kaip metano hidratai (žr. Flamable Ice; Erwin Suess, Gerhard Bohrmann, Jens Greinert, Erwin Lausch; Scientific American, 1999 lapkritis). Jie susidaro esant aukštam slėgiui; kaip tik toks yra ties vandenynų dugnu. Manoma, kad labai didelis šios metano formos kiekis yra susikaupęs vandenynų nuosėdinėse uolienose. Anksčiau manyta, kad greitų atšilimų tolimoje žemės praeityje priežastis buvo staigus didelio metano kiekio išsiskyrimas iš šių uolienų. Tačiau nauji poliarinio ledo dangų tyrimai parodė, kad vandenynų metano hidratai buvo stabilūs ne mažiau kaip 40 tūkst. metų. Taigi paskutinio ledynmečio ciklo metu metano lygis atmosferoje staigiai padidėjo ne dėl jų.

Yra žinoma, kad žemynų augalai labai jautrūs aplinkos pokyčiams, todėl klimatui šąlant ar šylant bendras planetos augmenijos kiekis kinta. Turint galvoje mūsų atradimą, tokių kitimų kaip metano lygio mažėjimas šaltaisiais periodais ir didėjimas šiltaisiais laikotarpiais priežastys dabar turėtų būti nagrinėjamos iš naujo. Paskutinio ledynmečio maksimumo metu – maždaug prieš 21 tūkst. m. – augmenijos Amazonės miškuose buvo perpus mažiau nei dabar, tad ir metano ji turėjo išskirti žymiai mažiau. Nuo to laiko pasaulinė paviršiaus temperatūra ir anglies dioksido koncentracija pakilo. Tai paskatino augalų klestėjimą ir, kaip ir reikėtų tikėtis, vis didesnį jų išskiriamo metano kiekį. Panašiai klimatas galėjo kisti kitais žemės istorijos laikotarpiais: didelė anglies dioksido koncentracija atmosferoje ir kylanti temperatūra sąlygojo augmenijos biomasės didėjimą, o šis savo ruožtu – išskiriamo metano kiekio augimą ir tolesnį temperatūros kilimą. Mąstant abstrakčiai, prielaida, kad emisija galėjo būti iki dešimties kartų didesnė nei dabar, nėra visiškai klaidinga. O jei taip, augmenijos išskiriamas metanas kartu su gaunamuoju iš pelkių ir galbūt vandenyno dugno, galėjo būti varomoji klimato pokyčių žemės istorijoje jėga.

Klaidinančios interpretacijos

Kai pamatai BBC parengtą reportažą apie savo mokslinį darbą pačią pirmą jo paskelbimo dieną, iškart po žinių apie paukščių gripą ir situaciją Irake, suvoki, kad atradai kažką, kas sulauks labai didelio atgarsio visuomenėje. Šis supratimas dar labiau sustiprėjo, kai kitą dieną mūsų atradimas pasirodė viso pasaulio laikraščiuose, netgi pirmuosiuose puslapiuose.

Deja, perdėtas žiniasklaidos dėmesys gali išpūsti problemą. Mūsų atveju buvo neteisingai interpretuojami rezultatai. Daugelyje straipsnių buvo tvirtinama, kad augalai gali būti pasaulinio atšilimo priežastis. Pavyzdžiui, vieno gerą vardą turinčio laikraščio pirmajame puslapyje išvydome antraštę Pasaulinio atšilimo kaltininkai – miškai.

Kai gauni gausybę elektroninių laiškų ir telefono skambučių, žmonės klausia, ar kovodami su pasauliniu atšilimu turėtų iškirsti medžius savo sode, suvoki, kad visuomenę kažkas labai suklaidino. Norėdami išsklaidyti nesusipratimus turėjome išspausdinti dar vieną žinutę.

Antrame spaudos pranešime pabrėžėme štai ką: jei mūsų atradimas teisingas, augalai metaną į atmosferą išskiria šimtus milijonų metų. Ši emisija prisideda prie natūralaus šiltnamio efekto, be kurio mums žinoma gyvybė negalėtų egzistuoti. Tačiau dėl metano koncentracijos padidėjimo prasidėjus industrializacijai kalti ne augalai; to priežastis – žmonijos veikla. Mūsų atradimas netgi paskatino intensyvias spėliones, ar augalų išskiriamas metanas nesumažina, ar net nepersveria anglies dioksido ir suboksido sulaikymo efekto, kurio siekiama miškų atsodinimo programomis. Jei spėlionės pasirodytų pagrįstos, tai būtų svarbu šalims, įgyvendinančioms Kioto protokolą, kad būtų sumažinta pasaulinė šiltnamio dujų emisija. Pagal protokolą, medžių sodinimo programos gali būti įtraukiamos į nacionalines anglies dioksido mažinimo strategijas. Vis dėlto mūsų skaičiavimai rodo, kad nauji miškai naudos duos daugiau, negu pakenks jų išskirtas metanas. Taigi siekiant sulėtinti pasaulinį atšilimą, sodinti medžius neabejotinai dera.

Šių debatų įkarštyje žmonės pamiršo esminį dalyką. Medžiai – mūsų planetos žalieji plaučiai: jie tiekia deguonį, be kurio nebūtų gyvybės. Problemų kelia ne augalai, o visuotinis iškastinio kuro deginimas visame pasaulyje.

Kur kas svarbiau, ar augmenijos išskiriamas metanas gali turėti įtakos klimatui artimiausioje ateityje. Kaip galime tikėtis, augmenijos išskiriamo metano kiekis didės kylant temperatūrai, o tai turėtų skatinti dar didesnį atšilimą. Šis reiškinys turėtų būti natūralus, jei nepaisytume jo tempo, kurį iš esmės spartina žmonijos veikla, kad ir iškastinio kuro deginimas. Vis dėlto tikėtina, kad augalai pasaulinio klimato pokyčius stipriau veikė praeityje nei mūsų dienomis, kai labai daug miškų yra iškirsta.

Kokią įtaką mūsų atradimas gali daryti tolimos ateities klimato pokyčių prognozėms, tiksliai pasakyti per anksti. Vis dėlto akivaizdu, kad visi nauji skaičiavimai turėtų atsižvelgti ir į augalų išskiriamą metaną.

Apie autorius

Frankas Kepleris (Frank Keppler) ir Tomas Rokmanas (Thomas Röckmann), dirbdami Makso Planko branduolinės fizikos institute Heidelberge, Vokietijoje, pirmieji atrado, kad augalai išskiria metaną. 2000 m. Heidelbergo universitete Kepleris apgynė aplinkos geochemijos daktaro laipsnį. Neseniai jis buvo apdovanotas Jaunųjų Europos tyrinėtojų premija (EURYI). Subūrė tyrėjų grupę Makso Planko chemijos institute, Maince.

Rokmanas apgynė daktaro laipsnį Heidelbergo universitete. 2005 m. pradėjo eiti profesoriaus pareigas Jūrų ir atmosferos tyrimų institute Utrechte, Olandijoje.

Straipsnio tekstinė ir vaizdinė medžiaga priklauso "Scientific American lietuviškas leidimas" žurnalui ir be redakcijos sutikimo draudžiama kopijuoti ar kitaip atgaminti straipsnyje panaudotą informaciją.