Paikalliset ekologiset järjestelmät voivat tunnetusti muuttua äkillisesti, arvaamattomasti ja peruuttamattomasti olotilasta toiseen täysin erilaisiksi, kun kriittinen kynnys (ns. käännekohta tai horjahduspiste) ylittyy. Kesäkuun Nature-lehden artikkelissa 22 kansainvälistä tutkijaa todistelee sitä, että koko globaali ekosysteemi voi reagoida samalla tavalla, ja että se lähestyy ihmiskunnan toiminnan seurauksena planeetanlaajuista kriittistä kynnystä erittäin todennäköisesti jo muutaman sukupolven aikana. Biosfäärin olotilan muutos on mahdollisesti jo alkanut, mutta sen haittavaikutuksia pystytään vielä lieventämään.
(c) iQoncept – Fotolia.com
Väestönkasvu ja kulutuksen lisääntyminen
Ihmisen väestönkasvu ja henkeä kohden lasketun kulutuksen kasvu ovat kaikkien ongelmien taustalla. Väestönkasvu (77 miljoonaa ihmistä vuodessa) on noin tuhat kertaa suurempi kuin keskimääräinen vuosikasvu ajalla 10 000 – 400 vuotta sitten (67 000 henkilöä vuodessa). Maapallon ihmismäärä on lähes nelinkertaistunut vain vuosisadassa. Varovaisimpien arvioiden mukaan väestö kasvaa nykyisestä seitsemästä miljardista yhdeksään miljardiin vuonna 2045 ja 9,5 miljardiin vuonna on 2050.
Ihmisen toiminnan seurauksena suoria paikallisen tason vaikutuksia on kertynyt niin paljon, että ne aiheuttavat epäsuorasti jo globaalitason vaikutuksia. Suora vaikutus on esimerkiksi se, että 43 prosenttia maapallon pinta-alasta on valjastettu maatalouden tai kaupunkien käyttöön. Lopun 57 prosentinkin alueella vaikuttavat monin paikoin tiet. Tämä ylittää jääkauden jälkeisen fysikaalisen muutoksen, jossa 30 prosenttia maapallon pinta-alasta suli oltuaan jään peitossa.
Epäsuoria globaalitason vaikutuksia on syntynyt, kun ihmisen toiminta muuttaa energian virtausta ekosysteemien läpi. Kohtuuttoman paljon energiaa siirretään nyt yhdelle lajille, ihmiselle. Ihmiset käyttävät 20 – 40 prosenttia maailman nettoperustuotannosta ja lisäksi vähentävät tuottavuutta tuhoamalla elinympäristöjä. Paikallisesti lisääntynyt nettoperustuotanto ilman laskeumien ja maatalouden lannoitteissa olevien ravinteiden (esim. typen ja fosforin) seurauksena ei riitä kattamaan tuottavuuden pienentymistä.
Mallit ennustavat, että vuoteen 2100 mentäessä bioottiseen ympäristöön kohdistuvat paineet yhä vain lisääntyvät. Energian ja muiden luonnonvarojen käyttö lisääntyy, kun väestö kasvanee vähintäänkin 9,5 miljardiin jo vuoteen 2050 mentäessä. Vaikutus on vielä huomattavasti korostunut, jos myös asukasta kohden laskettu luonnonvarojen käyttö lisääntyy.
Ennusteiden mukaan maapallon väkiluku vuonna 2100 on alimman arvion mukaan 6,2 miljardia (vaatii syntyvyyden merkittävää supistumista), keskitason arvion mukaan 10,1 miljardia (vaatii jatkuvaa hedelmällisyyden laskua maissa, jotka vielä ovat nollakasvun yläpuolella) ja suurimman arvion mukaan 27,0 miljardia (jos syntyvyys säilyy vuosien 2005-2010 tasolla). Viimeksi mainittu populaation koko on kuitenkin jo selvästi ylittänyt maapallon kantokyvyn.
Fossiilisten polttoaineiden käyttäminen
(c) olly – Fotolia.com
Ihmiset vapauttavat fossiilisiin polttoaineisiin varastoitunutta energiaa, minkä avulla ihmislaji pystyy hallitsemaan ekosysteemejä entistäkin voimakkaammin. Valtaosa tästä lisäenergiasta käytetään ihmislajin ja kotieläinten ylläpitoon. Tämän seurauksena suurten eläinten biomassa on paljon suurempi kuin esiteollisina aikoina. Ellei hupeneville fossiilisille polttoaineille löydetä korvaavia vaihtoehtoja, tämän energian väheneminen fossiilisten polttoaineiden ehtyessä heikentänee sekä ihmiskunnan terveyttä että taloutta. Lisäseurauksena on myös biodiversiteetin eli luonnon monimuotoisuuden väheneminen, koska entistäkin suurempi osa nettoperustuotannosta joudutaan käyttämään ihmislajin elättämiseen.
Fossiilisten polttoaineiden kulutuksella on ollut suuria vaikutuksia ilmakehään ja valtameriin. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on lisääntynyt yli kolmanneksella (35 %) esiteolliseen aikaan verrattuna, minkä seurauksena ilmasto lämpenee nopeammin kuin viimeisimmässä globaalitason muutoksessa siirryttäessä jääkaudesta nykyiseen ilmastoon.
Merten happamoituminen
Korkeammat hiilidioksidipitoisuudet (fossiilisten polttoaineiden käytön seurauksena) ovat aiheuttaneet valtamerten nopean happamoitumisen. Tämä on ilmeistä, koska pH on laskenut 0,05:llä kahden viime vuosikymmenen aikana. Lisäksi maatalouden valumat ja kaupunkialueiden jätevedet ovat radikaalisti muuttaneet ravinteiden kiertokulkua. Jo havaittavissa olevia bioottisia seurauksia ovat laajat kuolleet alueet merten rannikoilla.
Biodiversiteetin pieneneminen ja lajien sukupuutto
Maaekosysteemeissä 40 prosenttia aiemmin monimuotoisista alueista on korvattu köyhillä muutamien viljelyskasvien, kotieläinten ja ihmislajin elinympäristöillä. Viljelykarkulaisia on levinnyt tulokaslajeina ja vieraslajeina myös luonnon ekosysteemeihin.
Vaikka maailmanlaajuisesti lajimäärä on vähentynyt, paikallisesti kasvien monimuotoisuus on kuitenkin tietyillä alueilla lisääntynyt ihmistoiminnan seurauksena. Monimuotoisuuden lisääntyminen ei kuitenkaan välttämättä ole pysyvää, koska syrjäyttävän kilpailun periaatteen mukaisesti osa lajeista voi vähitellen hävitä, kun kasvien lajienväliset suhteet ehtivät vaikuttaa.
Selkärankaisten sekä tämänhetkinen että ennustettu sukupuuttonopeus ylittää selvästi luonnollisten sukupuuttojen määrän. Sekä monet kasvit, selkärankaiset että selkärangattomat ovat vähentyneet siinä määrin, että ne ovat vaarassa kuolla sukupuuttoon. Avainlajien, esimerkiksi suurpetojen, maailmanlaajuinen poistaminen ravintopyramidin ylemmiltä trofiatasoilta johtaa yhä yksinkertaisempiin ja epävakaampiin ravintoverkkoihin.
Tutkijat ovatkin erityisen huolissaan lajien sukupuutoista. Evoluutiolta vie satoja tuhansia tai miljoonia vuosia tuottaa monimuotoisuus uudelleen. Sukupuutot ovat erityisen huolestuttavia, koska maailmanlaajuinen ja alueellinen monimuotoisuus on nykyään yleensä alhaisempi kuin se oli 20 000 vuotta sitten viimeisimmän globaalimuutoksen aikoihin. Lisäksi ihmisen siirtämät kasvit homogenisoivat lajistoa.
Luonnollisia ekosysteemejä uhkaavat liikakäyttö, saasteet ja ilmastonmuutos. Epäselvää on se, kuinka paljon näitä menetyksiä korvaavat ihmisen luomat ja ylläpitämät ekosysteemit, esimerkiksi ravintokasvien viljelmät. Esimerkkeinä romahduksista mainitaan turskakannat, miljoonien neliökilometrien laajuiset havupuukuolemat ilmastonmuutoksen kiihdyttämien kovakuoriaisepidemioiden seurauksena, hiilinielujen heikkeneminen metsien kaatamisen takia ja maataloustuotannon paikallinen heikentyminen aavikoitumisen tai haitallisten viljelymenetelmien seurauksena.
Vaikka biodiversiteetin heikkenemisen ja lajikoostumuksen muuttumisen lopulliset vaikutukset ovat vielä epäselviä, seuraukset voivat olla vakavia, mikäli kynnysarvo ylitetään laajoilla alueilla samanaikaisesti, kun ekosysteemipalveluiden tarve vain lisääntyy. Tarvetta lisää erityisesti väestönkasvu, jos väestö kasvaa ennusteiden mukaisesti kahdella miljardilla noin kolmessa vuosikymmenessä. Seurauksina voi olla laajaa sosiaalista levottomuutta, taloudellista epävakautta ja ihmishenkien menetyksiä.
Ilmastonmuutos
(c) vladstar – Fotolia.com
Nopea ilmastonmuutos ei osoita merkkejä hidastumisesta. Mallintaminen osoittaa, että 30 prosentilla maapallon pinta-alasta nopeus, jolla kasvilajit joutuvat siirtymään pysyäkseen ennustetun ilmastonmuutoksen tahissa, on suurempi kuin niiden siirtymisnopeus silloin, kun maapallo viimeksi siirtyi jääkaudesta nykyiseen interglasiaalikauteen. Siirtymistä vaikeuttaa lisäksi esimerkiksi maatalouden ja kaupungistumisen takia hyvin pirstoutunut elinympäristö.
Ilmastotyypit, jotka nyt vallitsevat 10 – 48 prosentilla maapallon pinta-alasta, häviävät ennusteiden mukaan seuraavan sadan vuoden aikana. Ilmasto, jota nykyiset eliöt eivät ole koskaan kokeneet, tulee todennäköisesti kattamaan 12 – 39 prosenttia maapallon pinta-alasta. Keskimääräinen maapallon lämpötila on vuonna 2070 (tai mahdollisesti jo muutama vuosikymmen aikaisemmin) korkeampi kuin ikinä ennen ihmislajin evoluutiohistorian aikana.
Ihminen aiheuttaa nopeamman ja suuremman muutoksen kuin jääkauden päättyminen
Planeetanlaajuisia kriittisiä siirtymiä on esiintynyt biosfäärissä aiemminkin, vaikkakin harvoin. Ihmiskunnan toiminnan takia tällainen käännekohta saattaa olla jälleen ylittymässä, mikä voi mahdollisesti muuttaa maapallon nopeasti ja pysyvästi ihmisille tuntemattomaan tilaan.
Tästä seuraa kaksi johtopäätöstä. Ensinnäkin biologisten yllätysten minimoimiseksi ja samalla ihmiskunnankin suojelemiseksi on tärkeää kehittää biologista ennustamista ennakoimaan globaaleja kriittisiä siirtymiä ja niiden vaikutuksia paikallisella tasolla. Toiseksi globaalin muutoksen estämiseksi tai vähintäänkin ohjaamiseksi on tarpeen puuttua perimmäisiin syihin, joilla ihminen aiheuttaa globaaleja muutoksia.
Globaali pakotemekanismi on nykyään väestönkasvu, johon liittyy luonnonvarojen kulutus, elinympäristöjen muutos ja pirstoutuminen, energian tuotanto ja kulutus sekä ilmastonmuutos.
Kaikki nämä pakotteet ovat huomattavasti suurempia niin nopeudeltaan kuin voimakkuudeltaankin verrattuna viimeisimpään tätä edeltäneeseen globaalimuutokseen viime jääkauden päättyessä, jolloin ilmasto vaihteli nopeasti lämpimästä kylmään ja taas lämpimään 14 300 – 11 000 vuotta sitten.
Suurimmat bioottiset muutokset tapahtuivat 12 900 – 11 300 vuotta sitten, kun noin puolet suurista nisäkkäistä, useat suuret linnut ja matelijat sekä jotkin pienemmät eläimet kuolivat sukupuuttoon. Samaan aikaan ihmispopulaatio kasvoi ja ihmislaji levittäytyi kaikkiin maanosiin. Ennen muutosta oli vallinnut noin 100 000 vuotta kestänyt glasiaali- eli jääkausi, joka päättyi auringon säteilytehon lisääntyessä. Sen jälkeen maapallolla on ollut interglasiaalikautta noin 11 000 vuotta.
Tuo viimeisin globaalimuutos on tärkeä vertailukohta nykyisessä muutoksessa, koska molemmissa vaikuttavina tekijöinä toimivat ilmastonmuutos ja ihmispopulaation kasvu. Viimeisimmän jääkauden päättymiseen liittyvässä muutoksessa ne olivat kuitenkin luultavasti erillisiä mutta sattumalta samanaikaisia tekijöitä. Nyt olosuhteet ovat sikäli hyvin erilaiset, että globaalitason pakotteina toimivat tekijät ilmastonmuutos mukaan lukien ovat suoraa seurausta ihmisen toiminnasta.
Milloin ja miten todennäköisesti biosfäärin olotila muuttuu?
On hyvin dokumentoitu, että biologisissa järjestelmissä voidaan siirtyä nopeasti olemassa olevasta tilasta radikaalisti erilaiseen tilaan. Ongelmana on se, että kynnysvaikutuksia voi olla vaikea ennakoida. Tämä johtuu ensinnäkin siitä, että kriittinen kynnys saavutetaan, kun useat muutokset vaikuttavat yhdessä. Lisäksi kynnysarvoa ei yleensä tiedetä etukäteen. Kun kriittinen muutos tapahtuu, on hyvin epätodennäköistä tai jopa mahdotonta, että järjestelmä palautuu takaisin aiempaan tilaan.
Ihmiset hallitsevat maapallolla tavoilla, jotka uhkaavat sen kykyä ylläpitää ihmisen ja muiden lajien elinmahdollisuuksia. Tämän ymmärtäminen on johtanut lisääntyvään kiinnostukseen siitä, kuinka on mahdollista ennustaa biologisia seurauksia kaikilla tasoilla paikallisesta globaaliin mittaluokkaan asti. Useimmat biologiset ennusteet perustuvat siihen, että tarkastellaan vain viimeaikaista kehitystä ja ennustetaan tulevaisuutta erilaisten ympäristöpaineiden vaikuttaessa, tai että käytetään lajien levinneisyysmalleja ennustamaan sitä, kuinka ilmastonmuutos saattaa muuttaa nykyään havaittua maantieteellistä esiintyvyyttä.
Turvautuminen pelkästään tällaisiin lähestymistapoihin ei kuitenkaan riitä täysin arvioimaan tulevaisuuden todennäköisiä biologisia muutoksia, koska esimerkiksi monimutkaisia vuorovaikutuksia ja palautteita jää ottamatta huomioon. Kriittisen raja-arvon ylittäminen voi tuottaa odottamattomia bioottisia vaikutuksia.
Sekä paikallisen mittakaavan suorat pakotteet että lisääntyvät globaalit pakotteet ovat nyt paljon suurempia kuin siirryttäessä jääkaudesta nykytilaan, eikä niiden odoteta laskevan lähitulevaisuudessa. Sen vuoksi mahdollisuus globaalin kynnysarvon ja käännekohdan ylittymiseen vaikuttaa korkealta. Huomattavaa epävarmuutta on kuitenkin siitä, onko se väistämätöntä, ja jos on, kuinka kaukana tulevaisuudessa se voi olla.
Kun riittävän suuri osa maapallon ekosysteemeistä on muutettu, loputkin ekosysteemit voivat muuttua nopeasti suuremman mittakaavan pakotteiden (esimerkiksi muutokset ilmakehän ja meren kemiassa, ravinteiden kiertokulussa, energian virtauksessa, saastumisessa jne.) lisääntyessä. Näistä suuren mittakaavan muutoksista puolestaan voi olla seurauksena uusia paikallisia muutoksia.
Ei vielä tiedetä, kuinka monta prosenttia maapallon ekosysteemeistä voi muuttua ihmistoiminnan suorien vaikutusten seurauksina erilaisiksi, ennen kuin nämä muutokset käynnistävät nopeita muutoksia myös jäljellä olevissa luonnollisissa järjestelmissä. Tämä prosenttiosuus voidaan päätellä vasta jälkikäteen. Havaintojen ja simulaatioiden mukaan sen voi kohtuudella olettaa olevan niin alhainen kuin 50 prosenttia tai jopa alhaisempi, jos monien paikallisten ekosysteemien muutokset aiheuttavat riittävän suuria globaalitason pakotteita. Toisaalta maapallo saattaa kestää jopa niinkin suuren muutoksen, että 90 prosenttia maa-alasta on muutettu.
Tällä hetkellä vähintään 43 prosenttia maapallon maaekosysteemeistä on muutettu. Keskimäärin yhtä maapallon asukasta kohden luonnontilaisesta toisenlaiseksi muutettu maa-ala on 0,92 hehtaaria. Jos oletetaan, että tämä keskimääräinen muutetun maan pinta-ala asukasta kohden (0,92 ha/hlö) ei muutu, 50 prosenttia maapallon maa-alasta on muutettu, kun maailman väestö kasvaa 8,2 miljardiin. Tämän arvioidaan tapahtuvan vuonna 2025. Vastaavasti 70 prosenttia maapallon maa-alasta voi olla ihmisen käyttössä vuonna 2060, jos väkiluku nousee 11,5 miljardiin.
Meriekosysteemien arviointi on paljon haastavampaa, mutta saatavilla olevien tietojen mukaan ihmistoiminnan vaikutukset ovat laajoja. Tarkempi meriekosysteemien tilan muutosten arviointi on tärkeä tehtävä, koska meret kattavat suurimman osan planeetastamme.
Suuren mittakaavan pakotteet vaikuttavat paikallisiin ekologisiin prosesseihin havaintojen mukaan jo nykyäänkin. Ongelmana on kuitenkin epänormaalien muutosten erottaminen luonnollisista muutoksista, joita luonnontilaisissakin ekosysteemeissä tapahtuu jatkuvasti. Luonnolliseltakin vaikuttava muutos voi olla epänormaali, jos se tapahtuu esimerkiksi huomattavasti nopeammin kuin luonnontilaisissa ekosysteemeissä.
Erillisiltäkin vaikuttavilla prosesseilla voi olla hyvin merkittäviä yhteisvaikutuksia. Esimerkiksi suuret maankäytön muutokset voivat vaikuttaa merien biologiaan. Myös biologisen hierarkian eri tasot (genotyyppi, fenotyyppi, populaation, lajien levinneisyys, lajien väliset suhteet jne.) voivat vaikuttaa toisiinsa. Yhdellä tasolla vaikuttava pakote voi aiheuttaa ratkaisevan muutoksen toisella tasolla.
Ihmiset ovat jo muuttaneet biosfääriä huomattavasti, jopa niin paljon, että jotkut tutkijat puhuvat uudesta geologista epookista eli aikakaudesta, jolle on annettu nimi antroposeeni. Tämä toistaiseksi epävirallinen termi tarkoittaa teollistumisen myötä alkanutta, holoseenin jälkeistä epookkia.
Kun verrataan menneisiin globaalitason muutoksiin johtaneita pakotteita ja tällä hetkellä ihmiskunnan aiheuttamia maailmanlaajuisia pakotteita, näyttää siltä, että uusi globaalitason muutos on erittäin todennäköinen seuraavina vuosikymmeninä tai vuosisatoina, ellei se sitten ole jo alkanutkin.
Tämän seurauksena itsestään selvinä pitämissämme biologisissa resursseissa voi tapahtua nopeita ja arvaamattomia muutoksia muutaman sukupolven aikana.
Voiko ongelmia estää tai vähentää?
(c) Alx – Fotolia.com
Globaalin käännekohdan eli ns. horjahduspisteen, kriittisen raja-arvon tai kynnysarvon tunnistamiseksi tarvitaan entistä parempaa tietoa varhaisista biologisista varoitusmerkeistä ja palautekytkennöistä, jotka edistävät tällaisia siirtymiä. On myös tarpeen löytää perimmäisiä syitä, miten ihmiset aiheuttavat biologisia muutoksia.
Ongelmien minimoimiseksi tarvitaan maailman väestönkasvun hidastamista, henkeä kohden laskettujen luonnonvarojen käytön pienentämistä, muiden kuin fossiilisten energianlähteiden osuuden lisäämistä, fossiilisten polttoaineiden energiataloudellisempaa käyttöä (niissä tilanteissa, joissa ole käytettävissä korvaavia energiamuotoja), elintarvikkeiden jakelun tehostamista, elintarvikkeiden tuotannon tehostamista nykyisillä alueilla uusien alueiden raivaamisen ja luonnonvaraisten lajien käytön sijaan sekä vielä luonnontilaisina olevien meri- ja maa-alueiden monimuotoisuuden suojelua.
Nämä ovat toki suuria tehtäviä, mutta ne ovat välttämättömiä, jos haluamme tieteen ja yhteiskunnan avulla ohjata biosfääriä sen sijaan, että biosfäärissä tapahtuu jotakin mullistavaa meidän tietämättämme ja tahtomattamme.
Ketkä ovat esitettyjen tietojen takana?
Nature-lehden artikkelin ovat kirjoittaneet 22 eri yliopistojen tai muiden tutkimuslaitosten tutkijaa: Anthony D. Barnosky (University of California), Elizabeth A. Hadly (Stanford University), Jordi Bascompte (Estación Biológica de Doñana, CSIC, Sevilla), Eric L. Berlow (TRU NORTH Labs, California), James H. Brown (The University of New Mexico), Mikael Fortelius (Helsingin yliopisto), Wayne M. Getz (University of California), John Harte (University of California), Alan Hastings (University of California), Pablo A. Marquet (Pontificia Universidad Católica de Chile; Instituto de Ecología y Biodiversidad, Santiago; The Santa Fe Institute, New Mexico), Neo D. Martinez (Pacific Ecoinformatics and Computational Ecology Lab, California), Arne Mooers (Simon Fraser University, British Columbia), Peter Roopnarine (California Academy of Sciences), Geerat Vermeij (University of California), John W. Williams (University of Wisconsin), Rosemary Gillespie (University of California), Justin Kitzes (University of California), Charles Marshall (University of California), Nicholas Matzke (University of California), David P. Mindell (University of California), Eloy Revilla (Estación Biológica de Doñana, CSIC, Sevilla) ja Adam B. Smith (Center for Conservation and Sustainable Development, Missouri Botanical Garden). Suomesta mukana on siis evoluutiopaleontologian professori Mikael Fortelius Helsingin yliopiston Biotekniikan instituutista.
Tässä blogikirjoituksessani ei ole lainkaan omia ajatuksiani ja näkemyksiäni, vaan kaikki tiedot ovat suoraan Nature-lehden artikkelista vapaasti (ei sanatarkasti) suomennettuina. Olen ottanut mukaan vain artikkelin pääkohdat, eikä asioita ole käsitelty täysin samassa järjestyksessä kuin alkuperäisessä kirjoituksessa. Aiheesta syvällisemmin kiinnostuneiden kannattaa lukea koko artikkeli Nature-lehdestä. Tämän blogikirjoituksen otsikko, väliotsikot ja nettilinkit ovat omia lisäyksiäni.
Lisätietoa samasta aihepiiristä
Petteri Karvinen (Ympäristölupaus): Uppoava laiva, 30.5.2012
Esko Kuusisto ja Jukka Käyhkö: Globaalimuutos, Otava 2004
Nature: Approaching a state shift in Earth’s biosphere, 7.6.2012
Hanne-Mari Tarvonen (YLE): Tutkijat: Ympäristö voi romahtaa jo seuraavina vuosikymmeninä, 6.6.2012
Valtioneuvoston kanslian julkaisusarja 14/2008: Epälineaariset ja äärimmäiset ilmaston muutokset
Jussi Viitala: Miten maailma loppuu? Atena kustannus Oy, 2011
Ilmastotieto 