В конце пермского периода 252 миллиона лет назад Земля была опустошена массовым вымиранием, которое уничтожило более 90% видов на планете. По сравнению с другими массовыми вымираниями, восстановление после «Великого вымирания» было медленным: потребовалось не менее 10 миллионов лет, чтобы планета была заселена заново и начала восстанавливать свое разнообразие. Самое масштабное массовое вымирание в истории Земли могло быть вызвано сильнейшим циклом Эль-Ниньо. Смертельный импульс ультрафиолетового (УФ) излучения также мог сыграть свою роль в крупнейшем массовом вымирании на Земле, свидетельствуют окаменелые зерна пыльцы.
Вулканы, выбрасывавшие углекислый газ 250 миллионов лет назад, настолько нагрели климат, что экстремальные явления Эль-Ниньо стали нормой, вытеснив большую часть жизни на Земле за пределы ее возможностей. Самое масштабное массовое вымирание в истории Земли могло быть вызвано сильнейшим циклом Эль-Ниньо.
Новые исследования показывают, что перегрузка углекислым газом атмосферы привела к изменению климата, что, в свою очередь, привело к гибели 90% видов на Земле около 250 миллионов лет назад, в конце пермского периода. Это открытие имеет значение для современной климатической науки: исследователи не знают, как текущее потепление повлияет на цикл Эль-Ниньо-Ла-Нинья, но даже малая часть нарушения, вызванного самым масштабным вымиранием в мире, сделает жизнь человечества очень трудной.
Жизнь процветала в пермский период (298,9 млн.–251,9 млн. лет назад). Суперконтинент Пангея был окружен пышными лесами, где странные рептилии бродили рядом с земноводными и жужжащими облаками насекомых. В океанах возвышающиеся рифы служили домом для спиральных наутилусов, костистых рыб и акул.
А затем извергся ряд гигантских вулканических разломов на территории современной Сибири. Эти разломы, известные как Сибирские траппы, выбросили в воздух огромное количество углекислого газа. Хуже того, они изверглись в районе, богатом угольными пластами, которые также испарились в атмосферу. Геологические осадки от этого извержения были обнаружены в слоях горных пород вплоть до Южной Африки.
Геологический разрез поля из исследования выявил экстремальную сухость 252 миллиона лет назад, что является признаком нарушений в цикле Эль-Ниньо-Ла-Нинья. Новое исследование предполагает, что вулканические извержения в Сибири спровоцировали экстремальные события Эль-Ниньо, которые в свою очередь привели к вымиранию в конце пермского периода, когда 90% жизни на Земле вымерло. Пол Уигналл/Университет Лидса
Ведущий автор исследования Ядун Сан, ученый-геолог из Китайского университета геологических наук, уже давно собирает базу данных о зубах угреподобных пермских существ, называемых конодонтами, поскольку зубы могут давать информацию о температуре океана. Его данные показывают, что через Панталасса — древний океан, который был предшественником Тихого океана — западная часть океана изначально была теплее, чем восточная. Однако этот градиент ослабел по мере потепления климата в конце пермского периода, создавая более высокие температуры на востоке — так же, как это происходит в сегодняшних событиях Эль-Ниньо в Тихом океане.
Конечным результатом, сказал Фарнсворт, стала серия очень серьезных, очень продолжительных Эль-Ниньо. Сан, Фарнсворт и их коллеги смоделировали последствия и показали, что на суше эти события Эль-Ниньо усилили бы и без того растущие температуры, вызванные потеплением, вызванным углекислым газом. Леса и виды, которые зависели от них, боролись бы и погибли первыми. Леса удаляют углекислый газ из атмосферы, поэтому их потеря позволила еще большему количеству удерживающего тепло углерода остаться наверху.
Между гибелью морской и сухопутной фауны существовал заметный временной лаг. Более того, вымирание морской биоты началось на 17 тысяч лет раньше, чем резкое потепление экваториальных вод с 26° до 34°, что явно превысило возможности многих живых существ. Значит, действовал еще какой-то невидимый «убийца» – возможно, нехватка кислорода в океане (аноксия). Однако эту версию авторы исследования отвергли, поскольку в эпоху высокого насыщения атмосферы кислородом океанская аноксия вряд ли могла вызвать гибель сухопутной биоты, начавшуюся раньше морского кризиса и задолго до пика потепления. Свидетельство тому – исчезновение торфяников и смена голосеменных лесов на кустарниковые экосистемы за десятки или даже сотни тысяч лет до гибели океанской биоты. Учёные выдвинули несколько гипотез сухопутного вымирания — от отравления металлами, истощения озонового слоя до кислотных дождей. Но ни одна не смогла объяснить всю глубину позднепермского кризиса.
Специалисты обратились к краткосрочным климатическим явлениям, которые действуют в масштабе одного года и десятилетий, могут вызывать серьезные колебания температуры и гидрологических циклов. Они применили модель HadCM3BL для прогноза глобального климата на фоне резкого повышения выбросов парниковых газов, палеотемпературные данные, анализ осадочных пород, чтобы определить градиент температуры поверхности моря на экваторе – SST (Equatorial Sea Surface Temperature) – и построить модель взаимодействия атмосферы и океана.
Согласно получившейся модели, в конце пермского периода зональный градиент SST в океане Тетис уменьшился с 7–10°С до 1–4° на границе геологических периодов. Эти и другие серьёзные изменения параметров океана привели к ослаблению циркуляции Уокера — метеорологического явления перемешивания нижних слоев атмосферы над океаном в тропиках. Все это вызвало Эль-Ниньо — колебание температуры верхнего слоя тропического океана.
Современное Эль-Ниньо длится 9–12 месяцев, в плиоцене они продолжались три миллиона лет. О том, насколько потепление климата усиливает это явление, идут споры. Однако модель, построенная авторами новой научной работы, показала, что в конце пермского периода сила и длительность Эль-Ниньо нарастали. В результате на планете установился очень теплый и крайне нестабильный климат.
Во время мощных Эль-Ниньо тепловая энергия, накопленная в океане, выплескивалась на сушу, вызывая сильные засухи и экстремальные волны тепла. В наше время такое наблюдается в экваториальной зоне, ударяя по лесам Амазонки и центральной части Африки.
Что касается морской биоты, то сильные волны тепла во время Эль-Ниньо и сегодня вызывают обесцвечивание коралловых рифов и гибель планктона. В конце пермского периода это чуть не привело к катастрофе в масштабах планеты.
Смертельный импульс ультрафиолетового (УФ) излучения мог сыграть свою роль в крупнейшем массовом вымирании на Земле, свидетельствуют окаменелые зерна пыльцы. Анализ показал, что пыльца, которая датируется временем массового вымирания в пермско-триасовый период, примерно 250 миллионов лет назад, вырабатывала «солнцезащитные» соединения, которые защищали от вредного УФ-B-излучения. В то время вымерло около 80% всех морских и наземных видов.
Согласно заявлению, для исследования, опубликованного в журнале Science Advances, группа международных ученых разработала новый метод использования лазерного луча для изучения мельчайших зерен, которые по размеру примерно равны половине ширины человеческого волоса и были обнаружены вкрапленными в камни, обнаруженные на юге Тибета.
Диметродон был одним из существ, живших в пермский период. Марк Гарлик/Science Photo Library
Растения используют фотосинтез для преобразования солнечного света в энергию, но им также необходим механизм для блокирования вредного УФ-В-излучения. В этом случае всплеск радиации не убил бы растения сразу, а скорее замедлил их, уменьшив их способность к фотосинтезу, что со временем привело бы их к неспособности размножаться.
Эксперты давно предполагали, что пермско-триасовое вымирание, классифицируемое как одно из пяти основных событий вымирания на Земле, было ответом на «чрезвычайную ситуацию палеоклимата», вызванную извержением Сибирских траппов, крупным вулканическим событием на территории современной Сибири. Катастрофический инцидент вытолкнул углеродные шлейфы, зарытые глубоко в недрах Земли, в стратосферу, что привело к глобальному потеплению, которое «привело к коллапсу озонового слоя Земли», по словам исследователей.
Пыльцевое зерно, использованное в работе. Его размер составляет примерно половину ширины человеческого волоса. Лю Фэн/Нанкинский институт геологии и палеонтологии
В ходе своего исследования ученые также обнаружили связь между всплеском УФ-В-излучения и тем, как оно изменило химию тканей растений, что привело к «утрате разнообразия насекомых. В этом случае растительные ткани стали менее вкусными для травоядных и менее усваиваемыми.
Поскольку в листьях растений было меньше азота, они были недостаточно питательны для насекомых, которые их ели. Это может объяснить, почему популяции насекомых резко сократились во время этого вымирания. Часто насекомые остаются невредимыми во время массовых вымираний, но только не в этот период вымирания.
После «Великого вымирания» жизни на Земле потребовались миллионы лет, чтобы восстановиться. Микроорганизмы могут объяснить медленное восстановление после этого периода.
В конце пермского периода 252 миллиона лет назад Земля была опустошена массовым вымиранием, которое уничтожило более 90% видов на планете. По сравнению с другими массовыми вымираниями, восстановление после «Великого вымирания» было медленным: потребовалось не менее 10 миллионов лет, чтобы планета была заселена заново и начала восстанавливать свое разнообразие.
Теперь ученые, возможно, выяснили, что задержало восстановление Земли. Группа крошечных морских организмов, называемых радиоляриями, исчезла в результате вымирания. Их отсутствие радикально изменило морскую геохимию, что привело к образованию типа глинистого образования, которое выделяло углекислый газ. Этот выброс углекислого газа поддерживал атмосферу теплой, а океаны — кислыми, тем самым замедляя восстановление жизни, объяснили ученые в статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience.
Соавтор исследования Клемент Батай, ныне профессор наук о Земле и окружающей среде в Оттавском университете в Канаде, рассказал Live Science, что такие экстремальные условия не наблюдались на Земле в течение сотен миллионов лет, до появления повсеместной жизни.
«Это просто показывает, как много мы не знаем об этих биогеохимических циклах и как небольшое изменение может очень быстро вывести систему из равновесия», — сказал Батай.
Батай работал над исследованием в качестве постдокторанта в лаборатории Сяо-Мин Лю, геохимика из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл. Исследователи пытались понять изменения климата Земли в конце пермского периода (298,9 млн.–251,9 млн. лет назад) и начале триасового периода (251,9 млн.–201,3 млн. лет назад). Команда хотела изучить процесс, называемый химическим выветриванием, — когда горные породы на суше разрушаются и высвобождают кальций, который попадает в океаны. Там кальций соединяется с углекислым газом (CO2), образуя карбонатные породы. Чем теплее климат, тем быстрее происходит выветривание, потому что химические реакции происходят быстрее при более высоких температурах, а большее количество текущей воды означает большую эрозию. Это создает обратную связь, которая контролирует глобальные температуры: когда теплее и выветривание происходит быстрее, больше CO2 попадает в море и запирается в океанических породах, помогая охлаждать климат. Когда климат холодает, выветривание замедляется, и меньше CO2 запирается в океанических породах, таким образом предотвращая слишком сильное похолодание.
Но есть еще один процесс, который может происходить в океане, называемый обратным выветриванием. Это происходит, когда минеральный кремний в изобилии и образует новые глины на дне океана. Во время обратного выветривания эти глины выделяют больше CO2, чем могут удержать карбонатные породы.
Кремний не так уж и обилен в современных океанах, поскольку его потребляют крошечные планктонные организмы для создания своих раковин, поэтому обратное выветривание происходит нечасто. Аналогично, в пермском периоде крошечные организмы, называемые радиоляриями, поглощали почти весь кремний, тем самым сводя обратное выветривание к минимуму.
Однако все это могло измениться в конце пермского и начале триасового периода. В этот момент богатые кремнием породы, состоящие из бесчисленных раковин радиолярий, исчезли, что указывает на то, что радиолярии могли исчезнуть. В то же время баланс определенных вариантов молекул в океанических породах нарушился, обнаружили Батай, Лю и их коллеги.
Исследователи изучали соотношения изотопов лития. Изотопы — это версии элемента с немного отличающимися атомными массами, чем нормальные, поскольку в их ядрах содержится разное количество нейтронов. Из-за разного веса различные изотопы лития поглощаются в разных соотношениях при образовании новых глин, что происходит при обратном выветривании. Исследователи обнаружили, что некоторые изотопы лития практически исчезли из океана прямо перед Великим вымиранием и не восстанавливались в течение примерно 5 миллионов лет в триасе. Это рисует картину мира, в котором потеря радиолярий привела к тому, что океан был переполнен кремнеземом, что позволило произойти обратному выветриванию, сказал Батай. CO2, высвобождаемый при обратном выветривании, мог подавить химическое выветривание, улавливающее CO2, происходящее в то время, и, в свою очередь, поддерживать климат сверхпарным. В таких условиях жизнь бы боролась.
Это первое прямое доказательство того, что обратное выветривание происходило в это время, сказала Хана Юрикова, морской биогеохимик из Университета Сент-Эндрюс в Шотландии. Юрикова не принимала участия в исследовании, но она написала редакционную статью, сопровождающую статью в журнале Nature Geoscience.
