Największe wymieranie w dziejach – przyczyny

Wymieranie z pogranicza permu i triasu (około 250 mln lat temu) było najtragiczniejszym wydarzeniem tego typu w dziejach Ziemi. Niestety, jego przyczyny wciąż pozostają niejasne.

Trudności z jednoznacznym wskazaniem winnego bądź winnych wynikają po części z tego, że nadal nie znamy wielu faktów związanych z wymieraniem. Do tej pory nie ustalono, czy katastrofa była jednorazowym wydarzeniem, czy też składała się z kilku (ilu?) oddzielnych epizodów. Trudno stwierdzić, z którymi z tych potencjalnych wydarzeń miało związek wyginięcie konkretnej grupy zwierząt. I wreszcie, miliony lat, które upłynęły od tego wydarzenia, skutecznie zatarły zapis kopalny, niszcząc wiele dowodów mogących jednoznacznie wskazać winowajcę.

Przyczyna czy skutek?

Wątpliwości sięgają zresztą o wiele dalej. Niekiedy trudno jest odróżnić przyczyny od skutków wymierania. Przykładowo, katastrofa z pogranicza permu i triasu – a zarazem paleozoiku oraz mezozoiku – była związana ze zmianami procentowego udziału poszczególnych izotopów węgla oraz tlenu.

Nie jest jasne, z czego wynikały te anomalie. Zmiana procentowego udziału stabilnego izotopu węgla ¹³C może stanowić efekt wyrzucenia do atmosfery dużych ilości metanu, na przykład na skutek uwolnienia klatratów spoczywających na dnach oceanów, lub w wyniku intensywnej działalności wulkanicznej. To z kolei może spowodować poważne zaburzenia ziemskich ekosystemów. W takim ujęciu anomalia δ¹³C (symbolem tym oznaczamy różnicę pomiędzy aktualnym udziałem izotopów ¹³C oraz ¹²C, a określonym arbitralnie udziałem standardowym) stanowiłaby jedną z przyczyn wymierania.

Ta sama anomalia może być jednak wywołana także nagłym załamaniem się ekosystemów, zmniejszoną produkcją roślinną oraz zanikiem bądź zmniejszeniem liczebności wielu grup organizmów. W tym przypadku anomalia δ¹³C byłaby już jednak nie przyczyną, ale skutkiem wymierania.

Brak rozróżnienia pomiędzy przyczynami a skutkami powoduje, że jeden fakt można interpretować na korzyść kilku hipotez wyjaśniających powody wymierania. Wymieniona anomalia δ¹³C potraktowana jako skutek przemawia na korzyść teorii wiążącej permską katastrofę z upadkiem planetoidy (wywołane przez nią wymieranie spowodowałoby zmniejszenie produkcji biomasy i zmianę procentowego udziału izotopów węgla). Z drugiej strony, jeśli anomalię uznamy za przyczynę, to zmusi nas to faworyzowania hipotezy łączącej wymieranie perm/trias z emisją metanu do atmosfery, a związana z tym zmiana wartości δ¹³C odzwierciedlałaby przyczyny, a nie skutek katastrofy.

Przynajmniej niektóre z problemów można by wyjaśnić, gdyby udało się dokładnie wydatować epizody intensywnej działalności wulkanicznej, upadku wielkich meteorytów i planetoid, anomalii izotopowych oraz wymierań poszczególnych grup organizmów. Niestety, na razie jesteśmy daleko od osiągnięcia tego celu, co powoduje, że ustalenie rzeczywistych przyczyn wymierań pozostaje wciąż trudne.

Jedna czy wiele przyczyn?

Starsze badania skupiały się na wskazaniu jednej, dominującej przyczyny każdego z wielkich wymierań. Obecnie coraz większa grupa naukowców podziela pogląd, że wymierania powodowane są przez wiele mechanizmów, które wspólnie doprowadzają do wyginięcia wielu lub nawet większości gatunków. Od schematu tego odbiegają zwolennicy teorii impaktowych – zakładających, że wymierania są wynikiem upadków dużych fragmentów materii pozaziemskiej, od wielkich meteorytów po asteroidy. Hipoteza taka zakłada, że to jeden czynnik (a konkretnie impakt) jest bezpośrednio odpowiedzialny za katastrofę, natomiast wszystkie pozostałe mogły jedynie zmienić jej rozmiary.

Aktualnie wydaje się jednak, że do każdego z wielkich wymierań musiało doprowadzić kilka, a nawet wiele czynników. Dobry przykład stanowi wymieranie perm/trias. Jego ogromne rozmiary – wyginęło 95 procent gatunków organizmów morskich – sprawiają, że nie daje się wskazać jednej przyczyny, która mogłaby spowodować taką hekatombę. Ani upadek planetoidy, ani intensywna działalność wulkaniczna lub uwolnienie klatratów metanowych nie doprowadziłyby do wymierania na tak dużą skalę, co pokazują zresztą inne zdarzenia z dziejów Ziemi. Żaden znany impakt ani okres wzmożonego wulkanizmu nie miał tak dalekosiężnych skutków.

Jedno czy wiele wymierań?

Na istnienie wielu przyczyn wskazuje dodatkowo fakt, że katastrofa z pogranicza paleozoiku i mezozoiku nie była przypuszczalnie jednorazowym wymieraniem, ale grupą katastrof, które w sumie doprowadziły do zagłady zdecydowanej większości gatunków żyjących wówczas na Ziemi. Trudno przypuszczać, że wszystkie te epizody były spowodowane jedną przyczyną, zwłaszcza że każdy z nich dotknął najprawdopodobniej innych grup zwierząt i roślin.

Na kilka oddzielnych epizodów wymierania organizmów wskazywały próby dokładnego wydatowania momentu wyginięcia poszczególnych grup organizmów dotkniętych katastrofą. Aktualne datowania wciąż nie są jeszcze precyzyjne, jednak nie ulega wątpliwości, że trylobity, koralowce Rugosa, wielkie otwornice oraz niektóre spośród ramienionogów nie wymarły jednocześnie.

Badania wykonane w południowych Chinach, gdzie zachowały jedne z najefektowniejszych profili geologicznych dokumentujących granicę permu i triasu, pokazują, że wymieranie składało się z co najmniej dwóch epizodów, z których drugi nastąpił 180 tysięcy lat po pierwszym (Song et al., 2013). Co ważne, każdy z tych dwóch epizodów dotknął inne grupy organizmów. Pierwsze wydarzenie doprowadziło do wyginięcia taksonów żyjących w ciepłych, płytkich wodach morskich. Druga katastrofa dotknęła z kolei przede wszystkim zwierzęta morskie żyjące w pobliżu dna. Prawdopodobną bezpośrednią przyczyną takiego zdarzenia mogło być pojawienie się wód pozbawionych tlenu w strefie przydennej oceanów. Pierwsze ze zdarzeń było jednak przypuszczalnie spowodowane innymi mechanizmami; na przykład ochłodzeniem spowodowanym gigantycznymi erupcjami wulkanicznymi.

Cytowane badania nie brały pod uwagę wymierania zwierząt i roślin lądowych, które również poważnie ucierpiały (zniknęło 70 procent gatunków lądowych). Ich wyginięcia nie można wytłumaczyć brakiem tlenu w strefie przydennej. Może to oznaczać (choć nie musi), że za wymieraniem zwierząt na lądach stała inna przyczyna niż ta, która doprowadziła do pojawienia się strefy beztlenowej na dnach oceanów. To stanowi dodatkowy argument na rzecz teorii głoszącej istnienie wielu przyczyn katastrofy na granicy paleozoiku i mezozoiku.

Potencjalni winni

Znamy obecnie co najmniej kilka procesów, które mogły doprowadzić do największego wymierania w dziejach Ziemi. Niewykluczone, że każdy z nich odegrał jakąś, mniejszą bądź większą, rolę. Oto najważniejsze z tych czynników:

1. Działalność wulkaniczna. W końcu permu na terenie dzisiejszej Syberii miały miejsce największe w ciągu ostatnich 500 mln lat wylewy law. Są tak zwane „trapy syberyjskie”. Powstały one stosunkowo szybko, oczywiście w geologicznej skali czasu. Działalność wulkaniczna nie ograniczała się jedynie do wylewu law. Około 20 procent całych wylewów stanowił materiał piroklastyczny, który został wyrzucony do atmosfery. Poza tym w atmosferze znalazły się także tysiące ton gazów, które mogły znacząco zmienić klimat na całej kuli ziemskiej.Wylewy law bazaltowych na terenie dzisiejszej Syberii nie były jedynym przejawem wzmożonej działalności wulkanicznej w schyłku permu. Podobne, chociaż dużo mniejsze pokrywy lawowe powstały wówczas także na terenie współczesnych południowych Chin.Uwolnienie tak wielkich ilości lawy oraz materiału piroklastycznego w czasie pół miliona lat musiało mieć ogromne konsekwencje. Wśród nich należy wymienić między innymi:
   • pył wyrzucony do atmosfery mógł spowodować krótkotrwałe, silne ochłodzenie („zima wulkaniczna”),
   • gazy wyrzucone do atmosfery doprowadziły do powstania kwaśnych deszczy, a być może także do zakwaszenia wód oceanicznych,
   • gazy cieplarniane wyemitowane do atmosfery mogły doprowadzić, po początkowym okresie ochłodzenia, do globalnego ocieplenia; aktualne badania potwierdzają zresztą, że w końcu permu i na początku triasu klimat zmieniał się raptownie.
2. Upadek planetoidy. Katastrofa kosmiczna na dużą skalę mogłaby doprowadzić do wymierania, pytanie jednak, czy na tak wielką skalę. W ciągu ostatnich 500 milionów lat na Ziemię upadło wiele wielkich meteorytów. Znaleziono także ślady impaktów na znacznie większą skalę. Żadne z tych zdarzeń nie miało jednak równie dalekosiężnych konsekwencji.Trudno jest znaleźć dowody przemawiające za upadkiem planetoidy w końcu permu. Pod lodami Antarktydy ukryty jest przypuszczalnie krater, który mógł powstać w wyniku katastrofy kosmicznej na przełomie paleozoiku i mezozoiku. Na razie nie udało się go wydatować. Brak krateru nie stanowi zresztą argumentu przeciwko teorii impaktowej. Planetoida mogła bowiem upaść na ocean, a nie zachował się żaden fragment skorupy oceanicznej z tego czasu. Dlatego też nie można jednoznacznie odrzucić opisywanej hipotezy.
3. Uwolnienie metanu z hydratów metanu. Hydraty metanu gromadzą się (również dzisiaj) na stokach kontynentalnych, pod osadami tworzącymi się na dnach oceanicznych. Nagłe uwolnienie metanu do atmosfery może powodować gwałtowne zmiany klimatyczne. Trudno sobie jednak wyobrazić, by same hydraty mogły doprowadzić do wielkiego wymierania. Poza tym nie tłumaczą one późniejszych, triasowych zmian klimatycznych, które miały miejsce krótko po wielkim wymieraniu. Uwolnienie hydratów powinno być bowiem zdarzeniem jednorazowym, po którym metan gromadził się na nowo przez długie miliony lat.
4. Zmiany konfiguracji kontynentów oraz poziomu wód morskich. W końcu paleozoiku powstał superkontynent Pangea, łączący w sobie niemal wszystkie lądy znajdujące się na kuli ziemskiej. Utworzenie jednego, olbrzymiego lądu w miejsce kilku mniejszych spowodowało zmniejszenie się powierzchni płytkich mórz szelfowych. Podobny efekt miałoby obniżenie się światowego poziomu morza. To z kolei mogło fatalnie wpłynąć na żyjące w nich organizmy. I rzeczywiście, zwierzęta płytkich mórz zostały najpoważniej dotknięte wymieraniem perm/trias. Czynnik ten nie wyjaśnia jednak wymierania na lądach, które również miało miejsce.
5. Brak tlenu w oceanach i/lub zmiana chemizmu wód. Bardzo prawdopodobna bezpośrednia przyczyna wymierania na pograniczu perm/trias. Musiał jednak istnieć jakiś inny czynnik, który doprowadził do ograniczenia ilości tlenu w wodach morskich lub do ich zakwaszenia. Niewykluczone, że tym czynnikiem była intensywna działalność wulkaniczna, którą w tej sytuacji należy za pierwszą przyczynę wymierania.

Dyskusja nad rzeczywistymi przyczynami wymierania permsko-triasowego będzie jeszcze trwała długo. Niewykluczone, że trudności ze wskazaniem głównego czynnika prowadzącego do największej katastrofy w dziejach życia na Ziemi wynikają nie tylko z braku z satysfakcjonujących danych geologicznych, ale także z faktu, że przyczyn było wiele i każda z nich odegrała ważną rolę.

Warto przeczytać również: Wielkie wymieranie permskie – pytania i kontrowersje

Cytowany artykuł:

Haijun Song et al., 2013. Two pulses of extinction during the Permian–Triassic crisis. Nature Geoscience 6, 52–56. DOI: 10.1038/ngeo1649