Społeczność
blog.ekologia.pl   Blogerzy   MAnt   Katastroficzne procesy geologiczne: potencjalne przyczyny wielkiego wymierania permskiego
Kategorie
3

Katastroficzne procesy geologiczne: potencjalne przyczyny wielkiego wymierania permskiego

Wstęp

Procesy katastroficzne są wiązane z kryzysami ekologicznymi już od XVIII wieku. Najbardziej popularnym wyjaśnieniem zagłady gatunków są upadki meteorytów o dużej średnicy. Istnieje jednak wiele innych potencjalnych, nie rzadko bardziej prawdopodobnych winowajców, o których programy popularnonaukowe tak często nie wspominają. Wszyscy kojarzymy termin wielkiego wymierania z zagładą dinozaurów, okazuje się jednak, że często przytaczana w mediach katastrofa ekologiczna nie jest największym epizodem zanikania gatunków w historii planety. Największym spośród wszystkich wielkich wymierań było to z przełomu permu i triasu.

 

Opis zagadnienia

Procesy katastroficzne

Kiedy słyszymy o procesach katastroficznych intuicyjnie wiążemy je z gwałtownymi i krótkimi procesami, które zachodzą „w mgnieniu oka”. Musimy jednak pamiętać o skali czasu geologicznego. Biorąc pod uwagę czas geologiczny do procesów katastroficznych możemy zaliczyć procesy zachodzące znacznie dłużej niż czas życia człowieka.

Proces katastroficzny może trwać tysiące lat – istotny jest kontrast z „normalnymi” procesami zachodzącymi „w tle”. Jeżeli kontrast ten jest wyraźny, to proces który zachodzi znacznie szybciej od innych możemy zaliczyć do katastroficznych. Procesy katastroficzne to procesy rzadkie (choć mogą być powtarzalne), charakteryzujące się zwykle szybką sedymentacją np. sztorm, wybuch wulkanu.

 

Wielkie wymieranie

O wyginięciu gatunku mówimy w momencie, w którym jego ostatni przedstawiciel nie ma szans na wydanie zdolnego do życia potomstwa. Gatunek wymiera więc całkowicie i nie może pojawić się ponownie. Proces ten zachodzi od chwili, kiedy na Ziemi pojawiło się życie. Do wymierania może dojść na dwa różne sposoby. Pierwszy to tzw. wymieranie pozornie niezauważalne, czyli ciągłe, pojedyncze zanikanie gatunków. Drugi proces to wymieranie masowe. Doszło do niego kilkukrotnie w dziejach Ziemi. Proces ten może trwać nawet miliony lat. Po każdym etapie wymierania dochodzi do radiacji nowych gatunków.

Dodatkowo, aby wymieranie zostało uznane za masowe, musi spełniać następujące warunki: mieć globalne rozprzestrzenienie, wyraźnie zaznaczać się w różnych facjach (środowiskach), musi dotyczyć różnych grup filogenetycznych – zwierząt i roślin, organizmów lądowych, słodko- i słonowodnych, kręgowców i bezkręgowców.

Masowe wymieranie gatunków zachodziło wielokrotnie na mniejszą lub większa skalę. (Dokładne oszacowanie skali zjawiska jest niezmiernie trudne ze względu na niekompletność zapisu kopalnego – szczególnie w środowiskach lądowych). John Sepkoski i David Raup  po przeprowadzeniu dokładnych analiz statystycznych wyznaczyli pięć wydarzeń, w których tempo wymierania znacznie przewyższało „normalne” tempo w jakim zanikają gatunki. Okresy te zostały nazwane „wielką piątką”. Jako największe wymierania w historii Ziemi są one częstym przedmiotem badań i naukowych dyskusji, w których nieustannie próbuje odpowiedzieć się na pytanie „dlaczego?”.

 

Naukowcy wciąż spierają się co do przyczyn wielkich wymierań, choć zwykle wiążą je z procesami katastroficznymi. Większość hipotez można połączyć z kilkoma okresami masowej zagłady. W artykułach i programach popularnonaukowych najczęściej omawiane są potencjalne przyczyny wielkiego wymierania z końca kredy, kiedy wyginęły m. in. dinozaury. Nie jest to jednak największy epizod zanikania gatunków w historii planety.

Największym spośród wszystkich wielkich wymierań było to z przełomu permu i triasu (ok. 250mln lat temu), kiedy wymarło 95% wszystkich gatunków zasiedlających naszą planetę. Wyginęły koralowce Rugosa i  Tabulata, wiele grup mszywiołów, szkarłupni i innych mieszkańców raf. Permska zagłada zakończyła dominację ramienionogów wśród bentosu. Z oceanów zniknęły także wielkie otwornice – fuzuliny i ostatni przedstawiciele trylobitów. Na lądzie straty były równie wielkie zarówno wśród roślin jak i zwierząt. Kryzys permski dotknął nawet najbardziej odporną grupę organizmów jaką są owady.

Przyczyn permsko-triasowego (P-T) wymierania upatruje się w zwiększonej aktywności wulkanicznej, wahaniach poziomu morza, zmianach klimatu, topografii i innych.

Przegląd literatury

Upadek meteorytu

W stratotypowym odsłonięciu pogranicza permu i triasu – Meishan w Chinach – odkryto anomalię irydową (iryd to pierwiastek bardzo rzadki na Ziemi, ale powszechnie występujący w meteorytach) oraz nietypowe stosunki izotopowe helu i argonu. Brak jednak dowodu, że są one pozostałością katastrofalnej kolizji i nie odzwierciadlają tylko „deszczu mikrotektytów”. Nietypowy skład chemiczny rzekomo dowodzący upadku meteorytu również nie przekonuje większości naukowców – dane są słabo udokumentowane. Zwolennicy hipotezy łączącej wszystkie wielkie wymierania z upadkami meteorytów wciąż wskazują nowe miejsca, np. ogromny krater pod lodami Antarktydy. Badania geofizyczne nie są jednak jednoznaczne.

Pozaziemskie przyczyny masowego wymierania zostały znacznie bardziej przekonująco przedstawione w przypadku wymierania kredowego.

 

 Aktywność wulkaniczna – trapy syberyjskie

Szczególnie groźne są nie tyle same erupcje wulkaniczne, co pośrednie skutki długotrwałej i intensywnej działalności wulkanicznej o globalnym charakterze. Katastroficzna działalność wulkanów pojawiała się wielokrotnie w historii Ziemi i można ją przypisać do wielu wymierań. Najdokładniejsza korelacja łączy je jednak z wielkimi wymieraniami triasu i permu.

Trapy syberyjskie (Fig. 2.), jedna z tzw. Wielkich Prowincji Lawowych (CAMP), mają dziś powierzchnię 340 tys. km2. Pierwotnie były jednak znacznie większe. Ostańce skał wulkanicznych z innych obszarów pozwalają oszacować, że pola lawowe na Syberii miały powierzchnię kilkukrotnie większą (nawet 1,5 mln km2). Datowania radiometryczne wykazują wyraźną korelację wylewów bazaltowych z granicą perm-trias. Z tego powodu uważane są za jednego z głównych kandydatów do wywołania masowego wymierania. Tak duże wylewy w geologicznie krótkim czasie (milion lat lub mniej) można uznać za proces katastroficzny.

Erupcje law tworzących dziś trapy syberyjskie musiały wywołać globalne ocieplenie, uwalniając do atmosfery ogromne ilości dwutlenku węgla. Wraz z temperaturą powietrza wzrosła temperatura oceanu i spadła rozpuszczalność tlenu w wodzie, co mogło przyczynić się do anoksji (rozszerzenia strefy warunków niedoboru tlenu w oceanie) i wymierania organizmów morskich. Stosunki izotopowe węgla wskazują, że wraz ze zwiększeniem aktywności wulkanicznej mogło dojść do uruchomienia hydratów metanowych (Erwin 1998).

Ponadto wzrost zawartości CO2 w atmosferze mógł przyczynić sie do zakwaszenia oceanów.  Oceany pochłaniały CO2 z atmosfery. W wyniku reakcji z wodą powstałby kwas węglowy, co spowodowałoby zmianę pH – zakwaszenie wód. Szczególnie źle zniosłyby to zwierzęta budujące szkielet z węglanu wapnia.

Dodatkowo za hipotezą wulkaniczną przemawia odkrycie w skałach dna morskiego z tego okresu tzw. cenosfer. Są to wypełnione gazami mikroskopijnej wielkości „bańki”. Powstają w trakcie spalania węgla np. w elektrowniach. Ich obecność w permie najlepiej tłumaczy przedarcie się masy syberyjskiej lawy przez wyżejległe pokłady węgla. Wskutek tego procesu do atmosfery trafiły ogromne ilości produktów spalania węgla w tym cenosfer. Ze względu na niewielkie rozmiary mogły one długo utrzymywać się w atmosferze, a kiedy w końcu opadły przyczynić się do niekorzystnych zmian chemizmu wód.

 

Zmiany klimatu

Początkowo jako przyczynę zagłady z końca permu proponowano ochłodzenie klimatu. Brak jednak dowodów na istnienie lodowców polarnych w czasach po środkowym permie – choć w karbonie i wczesnym permie rozwijały się wielkie gondwańskie lądolody. Wiemy to dzięki skamieniałym glinom lodowcowym (tyllitom) odnajdywanym w wielu miejscach na świecie.

W związku z zanikiem lądolodów, oraz wymarciem pod koniec permu zimnolubnych paproci (Glossopteris) bardziej prawdopodobne jest silne ocieplenie klimatu. Dowodów dostarczają też badania paleogleb. Torfowiska obszarów klimatu zimnego zostały na przełomie permu i triasu zastąpione glebami tworzącymi się w warunkach klimatu gorącego i suchego.

Najlepszy zapis wymierania kręgowców pochodzi z Basenu Karoo w Afryce Południowej. Analiza facji z tego obszaru również sugeruje, że przyczyną permskiego wymierania były zmiany klimatyczne. Środowiska wilgotne w bardzo krótkim czasie zostały zastąpione przez środowiska suche (rzeki o silnym przepływie zniknęły na rzecz niskiego przepływu). Badacze podkreślają, że zmiana środowisk nastąpiła dokładnie na granicy perm-trias, oraz że nastąpiła bardzo szybko – prawdopodobnie w czasie około 50tys. lat.

 

Wahania poziomu mórz (powstanie Pangei) i anoksja

Podobnie jak w przypadku innych wielkich wymierań wahania poziomu mórz mogły mieć wpływ na wymieranie permskie. Topnienie gondwańskich lądolodów niewątpliwie musiało przyczynić się do globalnej transgresji morskiej. Podniesienie poziomu morza skutkuje nagłym przesunięciem stref zamieszkiwanych przez stenotopowe organizmy, m. in. rozszerzeniem anoksycznej strefy głębokich wód (niedoboru tlenu). Wątpliwe jednak, aby wahania poziomu mórz były jedyną przyczyną permskiej zagłady. Wahania poziomu mórz powinno rozpatrywać się wraz ze zmianami klimatu i topografii (powstanie Pangei), w wyniku których zaburzona została normalna cyrkulacja atmosferyczna i oceaniczna.

 

Słone jeziora i dziura ozonowa

Permskie zbiorniki wodne, takie jak pokrywające znaczną część obszaru Polski morze cechsztyńskie, były znacznie bardziej zasolone niż współczesne morza. Dzięki temu również w Polsce wydobywamy dziś bogate złoża chlorków i siarczanów, jednak w permie tak wysokie zasolenie mogło przyczynić się do masowego wymierania. Współczesne niewielkie słone zbiorniki emitują do atmosfery szkodliwe substancje takie jak chloroform i trichloroetylen. Gazy te emitowane w dużych ilościach mogą przyczynić się do powstawania dziury ozonowej. Obecnie zabroniona jest ich produkcja. W permie sam zbiornik cechsztyński emitował kilkakrotnie większe ilości szkodliwych gazów niż wszystkie współczesne słone jeziora i przemysł. Zwiększająca się dziura ozonowa doprowadziłaby do katastrofalnego pustynnienia i arydyzacji (wysuszenia) klimatu.

 

Podsumowanie

Nie sposób ustalić jednoznacznych przyczyn wielkich wymierań. Należy pamiętać, że zaistnienie jednego procesu skutkuje uruchomieniem kolejnego. Zwiększona aktywność wulkaniczna skutkuje zmianami klimatu. Zmiany klimatu powodują zmiany chemizmu wód i rozprzestrzenianie się warunków anoksycznych w oceanach. Przyczynia się do tego także transgresja mórz. Do zmiany poziomu mórz z kolei przyczyniają się zlodowacenia i okresy braku czap lodowych – czyli pośrednio zmiany klimatyczne.

 

Literatura

Alvarez LW, Alvarez W, Asaro F, Michel HV (1980) Extraterrestial cause for the Cretaceous-Tertiary extinction: experimental results and theorethical interpretation. Science 208: 1095–1108.

Becker RT, House MR (1994) Kellwaser in the Devonian of the Montagne Noire with comments on possible causations. Cour. Forschungsinst. Senckenberg 16: 45−77.

Bloos G (1990) Sea-level changes in the upper Keuper and in the lower Lias of Central Europe, Cah. Inst. Cathol.Lyon, Se´r. Sci. 3: 5−16.

Erwin DH (1998) The end of the begining: recoveries from mass extinctions. Trends in Ecology and Evolution 13: 344–349.

Grasby S, Sanei H, Beauchamp B (2011) Catastrophic dispersion of coal fly ash into oceans during the latest Permian extinction. Nature Geoscience 4: 104–107.

Hallam A. (2004) Ewolucja i zagłada: wielkie wymierania i ich przyczyny. Prószyński i S-ka, Warszawa.

Jablonski D (1991) Extinctions: A paleontological perspective. Science 253: 754–757. Koeberl C, Gilmour I, Reimold WU, Claeys P, Ivanov B (2002) End-Permian catastrophe by bolide impact: evidence of a gigantic release of sulfur from the mantle: comment and reply. Geology 30: 855–856.

Martin AJ (2006) Introduction to the study of dinosaurs (second edition). Blackwell Publishing.

Montenegro A, Spence P, Meissner KJ, Eby M, Melchin MJ, Johnston ST (2011) Climate simulations of the Permian-Triassic boundary: Ocean acidification and the extinction event. Paleoceanography 26: 19.

Raup D, Sepkoski J (1986) Periodic extinction of families and genera. Science 231: 833–836. 

Retallak GJ (1999) Postapocalyptic greenhouse paleoclimate revealed by earliest Triassic paleosols in the Sydney Basin. Bulletin of the Geological Society of America 111: 52–70.

Schulte P, Alegret L, Arenillas I, Arz JA, Barton PJ, Bown PR, Bralower TJ, Christeson GL,  Claeys P, Cockell CS, Collins GS, Deutsch A, Goldin TJ, Goto K, Grajales-Nishimura JM, Grieve RAF, Gulick SPS, Johnson KR, Kiessling W, Koeberl C, Kring DA, MacLeod K.G,  Matsui T, Melosh J, Montanari A, Morgan JV, Neal CR, Nichols DJ, Norris RD, Pierazzo E, Ravizza G, Rebolledo-Vieyra M, Reimold WU, Robin E, Salge T, Speijer RP, Sweet AR, Urrutia-Fucugauchi J, Vajda V, Whalen MT, Willumsen PS (2010) The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary. Science  327: 1214–1218.

Smith RMH, Ward PD (2001) Patterns of vertebrate extinction across an event bed at  the Permian-Triassic boundary in the Karoo Basin of South Africa. Geology 29: 1147–1151.

Solomon EP, Berg LR, Martin DW, Ville CA (2000) Biologia (wydanie drugie, według trzeciego wydania amerykańskiego). Multico Oficyna Wydawnicza, Warszawa.

Strzeboński P (2005) Sedymentologia – materiały pomocnicze cz. 1. AGH, WGGiOS, KGOOiOS [http://open.agh.edu.pl/file.php/102/SEDYMENTOLOGIA-materialy_pomocnicze_do_cwiczen_cz_1.pdf].

von Frese R, Potts LV, Wells SB, Gaya-Pique LR, Golynsky AV, Hernandez O, Kim JW, Kim HR, Hwuang JS, Taylor PT, GRACE gravity data target possible mega-impact in  north central Wilkes Land, Antarctica. Geochemistry Geophysics Geosystems 10:  DOI: 10.1029/2008GC002319.

Weissflog L, Elanskii NF, Kotte K, Keppler F, Pfennigsdorff A, Lange CA, Putz E, Lisitzina LV (2009) Late Permian Changes in Conditions of the Atmosphere and Enviroments Caused by Halogenated Gases. Dokladi Earth Sciences 424: 818−823.

Wignall PB (2001) Large igneous provinces and mass extinctions. Earth-Science Reviews 53: 1-33.

Ten wpis czytano 1673 razy.
Te badania to modelowanie, a w przyrodzie jest zbyt dużo zmiennych, potrzebne są modele realnego świata, najlepsze modele są wykorzystywane do badań pogodowych, a i tak nie zawsze udaje się ją przewidzieć. By poznać przyszłość, trzeba ją porównać do zmian w przeszłości, czy takie wysuszenie nastąpiło w przeszłości i czy to z powodu UV, czy poniesienia temperatury? Słońce ma różne rodzaje promieniowania od UVB poprzez światło widzialne do podczerwieni, które dociera do Ziemi. O wiele gorszy byłby rozbłysk gamma z pobliskich gwiazd. Tylko, że osuszanie klimatu dawniej towarzyszyło ochłodzeniu, a ociepleniu wilgotność, wskutek parowania oceanów rosła wilgotność powietrza i ilość opadów oraz podnosił się poziom wód dzięki topnieniu lodowców, wiem nie gramatycznie piszę-lodowiec topnieje zasila oceany, woda paruje dzięki ciepłu, tworzą się chmury dające opady. Pozdrawiam serdecznie:)
Asiunia - Piątek, 27 Listopad 2015 11:17
Nie tyle samo UV mogło być zabójcze (no, może z wyjątkiem płazów), co wspomniana arydyzacja klimatu - wysuszenie i pustynnienie. Jeśli taki proces zajdzie w szybkim tempie, niewiele organizmów zdąży się przystosować. Tak przynajmniej wynika z prac Weissflog'a i innych (2009)
mant - Piątek, 27 Listopad 2015 10:38
Wreszcie rzetelny wpis na temat wymierań bez obwiniania o wszystko człowieka, którego wpływ nie jest wcale duży. Potrzeba więcej takich informacji, by określić zagrożenia dla środowiska. W końcu Ziemia nie jest stała, klimat, układ kontynentów, czy góry zmieniają się przez cały czas, tak samo istoty żywe. Cały czas tez powstają nowe gatunki, tak samo jak giną. Tylko czy dziura ozonowa to rzeczywiście zagrożenie, zważywszy na zjawisko hormezy oraz fakt, że to nie jest nagły impuls UV o dużym natężeniu a stopniowe zjawisko, które pozwoli się organizmom przystosować. Organizmy żywe mają nie tylko mechanizmy obronne przed promieniami słonecznymi (melanina, enzymy naprawcze), ale i potrzebują UV do syntezy witaminy D. Druga sprawa, że takie fluktuacje były już w przeszłości wiele razy. A obecne pomiary trwają za krótko by ocenić wpływ na obecna faunę i florę, jedyne co możemy to badać wpływ z przeszłości. Pozdrawiam serdecznie.
Asiunia - Czwartek, 26 Listopad 2015 13:00