Крупнейшее вымирание в истории Земли ознаменовало конец пермского периода, около 252 миллионов лет назад. Задолго до динозавров наша планета была населена растениями и животными, которые в основном были уничтожены после серии массивных извержений вулканов в Сибири.
Окаменелости в древних породах морского дна демонстрируют процветающую и разнообразную морскую экосистему, а затем ряд трупов. Около 96 процентов морских видов были уничтожены во время «Великого вымирания», за которым последовали миллионы лет, когда жизни пришлось снова размножаться и диверсифицироваться.
До сих пор ведутся споры о том, что именно сделало океаны негостеприимными для жизни - высокая кислотность воды, отравление металлами и сульфидами, полное отсутствие кислорода или просто более высокие температуры.
Новое исследование Вашингтонского и Стэнфордского университетов объединяет модели условий океана и метаболизма животных с опубликованными лабораторными данными и палеоокеанографическими записями, чтобы показать, что пермское массовое вымирание в океанах было вызвано глобальным потеплением, из-за которого животные не могли дышать. По мере повышения температуры и ускорения метаболизма морских животных более теплые воды не могли удерживать достаточное количество кислорода для их выживания.
Исследование опубликовано в выпуске журнала Science от 7 декабря.
"Это первый раз, когда мы сделали механистический прогноз о том, что вызвало вымирание, которое можно напрямую проверить с помощью летописи окаменелостей, что затем позволяет нам делать прогнозы о причинах вымирания в будущем", сказал первый автор Джастин Пенн, докторант Университета Вашингтона в области океанографии.
Исследователи создали климатическую модель с конфигурацией Земли во время пермского периода, когда массивы суши были объединены в суперконтинент Пангея. До того, как непрекращающиеся извержения вулканов в Сибири создали планету с парниковым газом, температура океанов и уровень кислорода были такими же, как сегодня. Затем исследователи увеличили количество парниковых газов в модели до уровня, необходимого для повышения температуры тропического океана на поверхности примерно на 10 градусов по Цельсию (20 градусов по Фаренгейту), что соответствовало условиям того времени.
Модель воспроизводит результирующие резкие изменения в океанах. Океаны потеряли около 80 процентов своего кислорода. Около половины морского дна океанов, в основном на больших глубинах, стали полностью бескислородными.
Чтобы проанализировать воздействие на морские виды, исследователи изучили различную чувствительность к кислороду и температуре 61 современного морского вида, включая ракообразных, рыб, моллюсков, кораллов и акул, используя опубликованные лабораторные измерения. Ожидается, что устойчивость современных животных к высокой температуре и низкому содержанию кислорода будет такой же, как у пермских животных, поскольку они эволюционировали в сходных условиях окружающей среды. Затем исследователи объединили черты вида с моделированием палеоклимата, чтобы предсказать географию вымирания.
«Очень немногие морские организмы оставались в тех же местах обитания, в которых они жили - они либо бегут, либо погибают», - сказал второй автор Кертис Дойч, адъюнкт-профессор океанографии Университета Вашингтона.
Модель показывает, что больше всего пострадали организмы, наиболее чувствительные к кислороду, обнаруженные вдали от тропиков. Многие виды, жившие в тропиках, также вымерли в этой модели, но она предсказывает, что виды, обитающие в высоких широтах, особенно с высоким потреблением кислорода, были почти полностью уничтожены.
Чтобы проверить это предсказание, соавторы Джонатан Пейн и Эрик Сперлинг из Стэнфорда проанализировали распределение окаменелостей в поздней перми из базы данных палеоокеанографии, виртуального архива опубликованных коллекций окаменелостей. Летопись окаменелостей показывает, где виды находились до вымирания, а какие были полностью уничтожены или ограничены частью их прежней среды обитания.
Летопись окаменелостей подтверждает, что во время этого события больше всего пострадали виды, живущие далеко от экватора.
«Признаком этого механизма гибели, потепления климата и потери кислорода, является эта географическая закономерность, которая была предсказана моделью, а затем обнаружена в окаменелостях», - сказал Пенн. «Согласие между ними указывает на то, что этот механизм потепления климата и потери кислорода был основной причиной вымирания».
Исследование основано на предыдущей работе под руководством Дойча, показывающей, что по мере нагревания океанов метаболизм морских животных ускоряется, а это означает, что им требуется больше кислорода, а более теплая вода удерживает меньше. Это более раннее исследование показывает, как более теплые океаны вытесняют животных из тропиков.
Новое исследование сочетает в себе изменяющиеся условия океана с метаболическими потребностями различных животных при разных температурах. Результаты показывают, что наиболее серьезные последствия кислородного голодания испытывают виды, живущие вблизи полюсов.
«Поскольку метаболизм тропических организмов уже был адаптирован к довольно теплым условиям с низким содержанием кислорода, они могли покинуть тропики и найти такие же условия где-то еще», - сказал Дойч. «Но если организм был приспособлен к холодной, богатой кислородом среде, то эти условия перестали существовать в мелководных океанах».
Так называемые «мертвые зоны», полностью лишенные кислорода, в основном располагались под глубинами, где обитали виды, и играли меньшую роль в выживаемости. «В конце концов выяснилось, что размер мертвых зон действительно не является ключевым моментом для вымирания», - сказал Дойч. «Мы часто думаем об аноксии, полном недостатке кислорода, как о условии, необходимом для повсеместной непригодности для жизни. к бескислородному."
Потепление, ведущее к недостатку кислорода, объясняет более половины утраты морского разнообразия. Авторы говорят, что другие изменения, такие как закисление или сдвиги в продуктивности фотосинтезирующих организмов, вероятно, действовали как дополнительные причины.
Ситуация в поздней перми - увеличение количества парниковых газов в атмосфере, создающее более высокие температуры на Земле - аналогична сегодняшней.
"При обычном сценарии выбросов к 2100 году потепление в верхних слоях океана приблизится к 20 процентам потепления в поздней перми, а к 2300 году оно достигнет от 35 до 50 процентов", - сказал Пенн. «Это исследование подчеркивает возможность массового вымирания, связанного с аналогичным механизмом при антропогенном изменении климата».