Pięćdziesiąt sześć milionów lat temu lasy na Ziemi przekroczyły punkt krytyczny. Podczas jednego z najintensywniejszych epizodów efektu cieplarnianego w dziejach planety gęste, bujne korony drzew, które zdążyły rozkwitnąć, zaczęły się przerzedzać. Gdy temperatura globalna wzrosła o nawet 11 stopni Fahrenheita (6 stopni Celsjusza), upał i susza nadwyrężały lasy i doprowadzały do śmierci ogromnej liczby drzew. Powstałe prześwity pozwoliły większej ilości światła docierać do gruntu i zmieniły krążenie wody w krajobrazie.

W południowym Wyoming paprocie przez krótki czas zajęły tereny, gdzie wcześniej rosły krewni wiązów, orzechów włoskich, metasekwoi oraz awokado. Następnie palmy i inne rośliny ciepłolubne rozprzestrzeniły się na północ.

W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science badacze wykazali, że lasy Wyoming utraciły w tym okresie — znanym jako maksimum termalne paleocenu i eocenu (PETM) — 60% koron drzew i potrzebowały znacznie ponad 100 000 lat na odbudowę. PETM cechowało masowe uwolnienie węgla do układu oceaniczno-atmosferycznego, a jego fazy ocieplenia i odbudowy razem trwały około 200 000 lat. Był to najbliższy naturalny odpowiednik ocieplenia, którego świat doświadcza dziś, choć ludzkość uwalnia obecnie dwutlenek węgla około 10 razy szybciej, niż wynosiły wówczas naturalne procesy planety. Zrozumienie, co stało się z tamtymi lasami, może pomóc ludzkości rozpoznać podobne progi krytyczne, zanim planeta znów je przekroczy.

Odczytywanie lasu ze skamieniałych liści

Paleobotanicy tradycyjnie wykorzystują skamieniałości roślin do ustalenia, jakie gatunki kiedyś żyły w danym miejscu. Autorzy badania postawili sobie trudniejsze pytanie: jak wyglądał sam las i jak się zmieniał? Struktura lasu — a przede wszystkim jego korony drzew — decyduje o ilości światła docierającego do runa leśnego, a także o temperaturze, siedliskach wodnych i ilości węgla, którą las może magazynować, co czyni ją jednym z najbardziej jednoznacznych wskaźników funkcjonowania ekosystemu.

Ale jak zmierzyć zagęszczenie lasu, który zniknął 56 milionów lat temu? Ekolodzy mierzą zagęszczenie koron drzew za pomocą tzw. wskaźnika powierzchni liści. Gęste lasy, których wiele warstw liści przechwytuje światło, uzyskują wysokie wartości, a otwarte lasy, przepuszczające więcej światła do runa — niskie. Ponieważ korony drzew wpływają na zacienienie, temperaturę, utratę wody i fotosyntezę, wskaźnik ten stanowi trafną miarę funkcjonowania lasu. Dziś satelity rutynowo go mierzą, by śledzić stan lasów na całym świecie, jednak dla lasów rosnących dziesiątki milionów lat temu nie istnieje żaden taki zapis.

Wskazówki dotyczące zagęszczenia koron drzew sprzed milionów lat pochodziły z mikroskopijnych kutykuł roślinnych — cienkiej, woskowej zewnętrznej skórki liści, która może przetrwać miliony lat w osadach bogatych w materię organiczną. W tych fragmentach skamieniałych liści wciąż widoczne są kształty komórek epidermy, i to ma znaczenie: kształt komórek odzwierciedla ilość światła, jaką liść otrzymywał podczas wzrostu. Liście rozwijające się w cieniu wytwarzają dłuższe, bardziej wydłużone komórki, rozciągając się w stronę światła; te eksponowane na więcej słońca tworzą komórki krótsze i bardziej okrągłe.

Badacze przekształcili tę zależność w narzędzie do rekonstrukcji dawnych lasów. Aby je skalibrować, zebrali próbki gleby z lasów Ameryki Środkowej i Południowej, obejmujących szeroki zakres zagęszczenia koron drzew. Każda garść gleby zawiera kutykuły zrzucone przez wiele różnych roślin z całego piętra koron, odzwierciedlając strukturę lasu jako całości — a zapis kopalny zachowuje tę samą rozdrobnioną ściółkę liściastą.

Porównanie kształtów tysięcy komórek epidermy ze zmierzonym wskaźnikiem powierzchni liści ujawniło wyjątkowo silną zależność: im bardziej wydłużone komórki, tym gęstsza korona drzew nad nimi. Ta zależność pozwoliła zespołowi odtworzyć strukturę lasów Wyoming sprzed milionów lat i prześledzić, jak zmieniała się w czasie.

Gdy lasy osiągają swoje granice

Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć było to, że lasy nie wkroczyły w maksimum termalne paleocenu i eocenu w stanie kryzysu. Tuż przed rozpoczęciem szybkiego ocieplenia korony drzew osiągnęły największe zagęszczenie od setek tysięcy lat, co najprawdopodobniej odzwierciedlało sprzyjające warunki wzrostu, gdy stężenie dwutlenku węgla w atmosferze zaczęło rosnąć. Wiodąca teoria dotycząca źródła tego dwutlenku węgla wskazuje na erupcje wulkaniczne.

Ten rozkwit nie trwał jednak długo. Gdy temperatury rosły, upał i susza przytłumiły korzyści płynące z wyższego stężenia dwutlenku węgla. Korony drzew szybko się przerzedziły w miarę obumierania drzew i pozostały znacznie rzadsze przez ponad 100 000 lat.

W tym osłabionym stanie lasy funkcjonowały zupełnie inaczej, co odczuło otaczające środowisko. Dawne gleby ustąpiły miejsca gruboziarnistym osadom rzecznym, co sugeruje, że utrata koron drzew zmieniła sposób przemieszczania się wody i osadów w obrębie basenu. Zmieniający się klimat zmienił las, a las zmienił krajobraz.

Lekcje na dziś

Ta sekwencja wydarzeń niesie ważną lekcję dla czasów obecnych. Wyższe stężenia dwutlenku węgla, podobne do obecnych — stężenia wzrosły z około 280 części na milion przed erą przemysłową do ponad 420 części na milion dziś — mogą stymulować wzrost roślin, ale tylko dopóty, dopóki temperatura i woda pozostają w granicach tolerancji drzew. Poza tymi granicami upał, susza, owady, patogeny i pożary mogą zniwelować każdy efekt nawożenia, który zwiększałby wzrost.

Na całym świecie wiele lasów wykazuje już oznaki osłabienia wraz ze wzrostem temperatur — badacze udokumentowali w ostatnich dekadach epizody śmiertelności drzew wywołanej upałami i suszą na każdym porośniętym lasami kontynencie — a dodatkowo wylesianie pod pozyskiwanie drewna, uprawy i pastwiska jeszcze bardziej zmniejsza ich odporność.

Lasy się odbudowały, ale trwało to ponad 100 000 lat

Historia dawnych lasów sprzed 56 milionów lat nie kończy się na załamaniu. Z czasem nasilone w cieplejszym klimacie rozkładanie się skał — proces znany jako wietrzenie — stopniowo usuwało węgiel z powietrza, magazynując go w osadach morskich. Umożliwiło to ochłodzenie klimatu i większą dostępność wody. Korony drzew odbudowały się, ostatecznie stając się nawet gęstsze niż przed rozpoczęciem ocieplenia.

W miarę rozprzestrzeniania się lasów prawdopodobnie odzyskały one zdolność stabilizowania gleb, regulowania obiegu wody i pochłaniania węgla z atmosfery, co pomagało ograniczyć efekt cieplarniany i wesprzeć długoterminową odbudowę planety.

Badanie pokazuje, że emisje dwutlenku węgla już wcześniej wypchnęły lasy poza ich granice fizjologiczne, wywołując zmiany, które rozchodzą się od roślinności przez rzeki aż po całe krajobrazy. Pokazuje też, że lasy są niezwykle odporne, gdy otrzymują czas na odbudowę — jednak wymagany czas znacznie przekracza ludzką długość życia i obejmuje tysiące pokoleń.

Dziś emisje węgla i ocieplenie wywołane działalnością człowieka postępują znacznie szybciej niż podczas PETM. Zapis kopalny przypomina, że lasy mogą się odbudować, ale tylko jeśli ludzkość uniknie wypchnięcia ich poza progi, po przekroczeniu których odbudowa trwa dziesiątki tysięcy lat.

Regan E. Dunn, Associate Curator w La Brea Tar Pits and Museum oraz Adjunct Professor of Earth Sciences na USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences.

Ten artykuł został ponownie opublikowany z serwisu The Conversation na licencji Creative Commons i pierwotnie ukazał się na łamach Fortune.com.