2019 minden bizonnyal úgy vonul be a tudománytörténetbe, mint amikor nagy áttöréseket sikerült elérni a 66 millió évvel ezelőtti Kréta-Paleogén (K-Pg) nagy kihalás pontos lefolyásának megértésében. A földi élővilág háromnegyedét, köztük a nem-madár dinoszauruszokat elsöprő katasztrófát egy 10-15 kilométeres kisbolygó a mai Yucatán-félsziget szomszédságában történő becsapódása váltotta ki.

Az amerikai tudományos akadémia hivatalos lapjában (PNAS), valamint a Science folyóiratban két hete közzétett legújabb tanulmányok nem az elsők idén, melyek forradalmi információkkal szolgálnak a kihalás pontos forgatókönyvéről és következményeiről. Még áprilisban egy olyan lelőhelyet ismertettek kutatók, amely a kihalás első napjának eseményeit rögzíti, szeptemberben pedig egy nemzetközi kutatócsoport rekonstruálta a kisbolygóbecsapódás hatásait az általa létrehozott kráterből vett minták segítségével. A kisbolygó által globálisan hátrahagyott K-Pg határvonallal és ennek tudománytörténeti fontosságával ebben a cikkben foglalkoztunk.

A PNAS-ben megjelent publikáció egy nemzetközi kutatócsoport eredményeit közli, amelynek tagjai az óceáni aljzatból vett kőzetminták elemzésével a tengerek 66 millió évvel ezelőtti állapotát vizsgálták. Kiderült, hogy nem fokozatosan romlott a helyzet az óceánokban a K-Pg kihalás előtt, hanem közvetlenül a kisbolygóbecsapódás nyomán meginduló tengeri elsavasodás volt felelős a tengeri élővilág összeomlásáért. Azt is megállapították, hogy ezt követően több százezer évig tartott az a korábbi egyensúly helyreállása.

A Science-ben közölt tanulmány a szárazföldi élővilág, különösen az emlősök K-Pg kihalást követő helyreállásával és evolúciójával foglalkozik. Egy coloradói, a 66 millió évvel ezelőtti kataklizma előtti és utáni időszakot felölelő lelőhelyből kiderül, hogy 100 ezer évvel a kisbolygó becsapódása után az emlősök már elérték a kihalás előtti fajgazdagságukat és méretüket. További 200 ezer év elteltével megháromszorozódott a területen lévő emlősfajok tömege, ezután 500 ezer évvel pedig megjelentek az első nagyobb emlősök. Az adatok arra utalnak, hogy az emlősök evolúciója a növényekével együtt zajlott, az élővilág helyreállását pedig nagyban segíthette több, a kihalást néhány százezer évvel követő felmelegedési hullám.

A két új publikáció talán legérdekesebb konklúziója, a Dekkán-trapp vulkanizmus K-Pg kihaláshoz és az élővilág helyreállásához való hozzájárulását érinti. Úgy tűnik, hogy bár ennek elhanyagolható szerepe volt a K-Pg kihalás megindításában, az élővilág helyreállását potenciálisan segíthette. A Science cikkének szerzői szerint ugyanis a felmelegedési hullámokat a mai Indiai-szubkontinensen található Dekkán-trapp vulkanizmusból származó szén-dioxid-kibocsátás idézhette elő.

Planktonok, izotópok, óceán elsavasodás

A PNAS cikkének szerzői változatos helyekről, így kontinentális talapzatokról és nyílt óceáni területekről vett mintákat elemeztek. Ezek együttvéve egy 800 ezer éves időszakot átölelő, globális geológiai lenyomattá állnak össze. Az egyik, egykor sekély tengeri területen lévő mintavételi terület a Hollandiában található Geulhemmerberg mesterséges barlangrendszer. Ez a helyszín a Chicxulub-becsapódást követő 100-1000 év üledékét őrzi, lehetővé téve a becsapódás közvetlen óceánokra mért hatásainak vizsgálatát.

A mintákban a kutatók 66 millió éves, parányi planktonalkotó és tengerfenéken élő likacsosházóak közé tartozó (foraminifera) egysejtű- fosszíliákat kerestek. Ezekben megállapították a bór 11-es izotópjának mennyiségét, és kiszámították koncentrációját az egykori tengervízben. Ez az adat teszi lehetővé az óceáni rétegek kémhatásának (pH) és azok időbeli változásának rekonstruálását.

Az óceánok kémhatása a K-Pg kihalást megelőző százezer évben nagyjából pH 7.8 volt. A Chicxulub-becsapódás hirtelen elsavasodást okozott, 0.25-ös pH- csökkenéssel. A kutatók szerint ez, vagyis az óceánok gyors elsavasodása vezetett a tengeri élővilág összeomlásához. Ehhez a pH-változáshoz a modellek szerint a légkör szén-dioxid-tartalmának közel megkétszereződésére volt szükség a becsapódást követően, a kréta végi átlagos 900 ppm-ről 1600 ppm-re (ppm - egymillióból egy molekula).

Ez a pH-változás megmagyarázza a kalciumvázat építő planktonok többségének kipusztulását, és azt is, hogy a kihalás miért nem érintette lényegesen a nem kalciumvázépítő páncélos ostorosokat (Dinoflagellata) és a sugárállatkákat (Radiolaria). Azonban már a planktonok egy részének kihalása is súlyos hatással járt a tengeri élővilágra és a tengeri szénkörforgásra.

A kalciumvázat építő tengeri élőlények kiesésével és így a globális szénkörforgás felborulásával a felszíni rétegek kémhatása 40 ezer éven belül növekedésnek indult. Ennek eredményeként a kréta végi értéknél magasabb, 8-as pH környéki értéket ért el. További 80 ezer év kellett ahhoz, hogy a korábbi 7.8 pH körüli értéken stabilizálódjanak az óceánok.

Egy számítógépes modell (GENIE, Grid ENabled Integrated Earth System Model) segítségével kiderült az is, hogy a K-Pg kihalás során az elsődleges tengeri produktivitás – lényegében a planktonok mennyiségét mutató érték –részlegesen, közel 50 százalékkal csökkent. A planktonok számának drasztikus csökkenése egybevág a megfigyelt szénizotóp- és pH-rekonstrukciókkal, valamint a tengerfenéki likacsosházúak túlélésének tényével.

A planktonok részleges eltűnése az úgynevezett „heterogén óceán" elméletet erősíti. Ennek a lényege, hogy bizonyos területeken vagy mélyebb rétegekben a planktonalkotó egysejtűek átvészelték a K-Pg kihalás hatásait, vagy még jobb helyzetbe is kerültek a tápanyagok felszínhez közeli felgyülemlése miatt. Bár a planktonok mennyisége 40 ezer évvel később elkezdett helyreállni, a mélyebb óceáni rétegekre a kihalás után majdnem egymillió évig hatással volt a szénkörforgás legyengülése.

Amint láttuk, a kutatócsoport adatai nem támasztják alá a hosszabb távú, például vulkáni tevékenység által kiváltott óceáni elsavasodás hipotézisét. Így elképzelhető, hogy a tengeri ökoszisztéma helyreállása egyszerűen korlátokhoz kötött, egy ilyen súlyos globális katasztrófa után és az nem más külső faktorok miatt húzódott el.

„Ilyen módon a K-Pg kihalás tehát megmutatja, hogy még geológiai időskálán gyors óceáni elsavasodás is hosszútávú és nagyon súlyos biológiai következményekkel jár."

- írják a szakemberek cikkünk végén, mintegy figyelmeztetve arra, hogy az emberi tevékenység által okozott globális felmelegedés hatására történő óceáni elsavasodásnak beláthatatlan következményei lehetnek.

Gyorsan eljött az emlősök korszaka

A Science-ben közzétett tanulmány egy, a coloradói Denver-medencében található Corral Bluffs lelőhely fosszíliáit és az azokból levonható következtetéseket ismerteti. Az ezen a 27 négyzetkilométeres helyszínen található rétegek a kréta utolsó százezer évét és a paleogén első egymillió évét fedik le. A 250 méter vastag, egymásra épülő geológiai rétegekben közel 300 gerinces és több tucat növény fosszíliáit sikerült feltárni.

A lelőhely ezért tökéletesen alkalmas arra, hogy segítségével a szakemberek feltárják, hogyan állt helyre az élővilág a kihalást követően. Az eddig megismert gerinces fosszíliák meglepően komplettek, több különböző lerakódási környezetből kerültek elő, testméretüket és rendszertani besorolásukat tekintve igen változatosak. A leletek mérete a 3 mm-es fogmaradványoktól az 1,5 méteres krokodil fosszíliákig terjed. A kutatóknak 16 emlősfajt sikerült azonosítaniuk, a fajok felét koponyamaradványok alapján. Az emlősök testtömegének meghatározásához a koponya vagy az alsó szemfogak méretét használták.

Ebből kiderült, hogy a K-Pg kihalás során a nagyobb termetű emlősök eltűntek, és a helyükre lépő más emlősök 100 ezer évvel később érték csak el a korábbi maximális testtömeget. További változások az emlősök testtömegében 300 ezer évvel és 700 ezer évvel a K-Pg esemény után következtek be, amikor már a legnagyobb emlősök tömege 47 kilogramm körül volt.

A lelőhelyen különböző időszakokból származó 233 növényfajt is azonosítottak, és kiderítették, hogy a K-Pg kihalás után közel a felére esett vissza a kétszikű növények változatossága. Emellett a még a krétában előforduló kétszikű fajokn 46 százaléka már nem volt jelen a területen a paleogén időszak elején, amiből arra lehet következtetni, hogy ezek szinte mind eltűntek a K-Pg kihalás során. A levelek maximális és minimális mérete is lecsökkent a K-Pg határvonal után, ami a kutatók szerint annak a jele, hogy az evolúció a környezeti változások hatására a gyorsabb növekedési stratégiák felé mozdította el a növényeket.

300 ezer évvel később már azonban a növényi változatosság, valamint a levelek mérete is felülmúlja a kréta végén látottakat, továbbá sok zárvatermő csoport fajgazdagságában is gyors növekedés látszik a kihalás után. A lelőhelyen sikerült például a legősibb pillangósvirágúak (Fabaceae) közé tartozó, 65,3 millió éves növényt is találni. Eddig ilyen növények fiatalabb korszakokból, dél-amerikai lelőhelyeken kerültek elő. Ebből a kutatók arra következtetnek, hogy a közel egyidejű megjelenésük Dél- és Észak-Amerikában a csoport gyors terjedését és változatosságának növekedését mutatja a paleogén korszak legelején.

A levélfosszíliák segítségével az egykori hőmérséklet-változásokat is vizsgálták a szakemberek. Arra jutottak,hogy a területen a Föld más részeihez hasonlóan egy közel 4.6 fokos, lassú hőmérséklet-csökkenés játszódott le a kréta utolsó 100 ezer évében, 22,1 fokos átlaghőmérsékletről nagyjából 17,5 fokosra. Most először sikerült szárazföldi mintákból azt is megállapítani, hogy a paleogén első 60 ezer évében egy 5,1 fokos hőmérséklet-növekedési esemény zajlott le, a K-Pg kihalás után stabilizálódó közel 17,5 fokos hőmérsékletről 22,6 fokra. A következő 150 ezer évben először további 2,2 fokkal folytatódott a melegedés, majd 50 ezer évig stabilizálódott a hőmérséklet, végül egy 70 ezer éves, hozzávetőlegesen 3 fokos lehűlés következett. Mindezt a vizsgált időszakban még egy harmadik felmelegedési periódus követte 700 ezer évvel a kihalás után, amikor 2,9-3,2 fokkal nőtt a hőmérséklet 10 ezer év alatt.

A kutatók a lelőhely alapján arra jutottak, hogy a hőmérsékleti változások ideje összefügg a növények változatosságának növekedésével és így a rendelkezésre álló több tápláléknak köszönhetően az emlősök méretének, földrajzi elterjedésének és életmódbeli változatosságának növekedésével is. Erre jó példa, hogy a 700 ezer évvel a kihalást követő felmelegedési esemény egybeesik a pillangósvirágúak, valamint egy 34 kilogrammos növényevő emlős (Taeniolabis taoensis) és egy 47 kilogrammos mindenevő emlős (Eoconodon coryphaeus) megjelenésével.

A kutatóknak sikerült azt is meghatározniuk, hogy a K-Pg kataklizma után nagyjából 100 ezer évig kis emlősök és többnyire páfrányokból és pálmákból álló, kis változatosságú növényvilág volt jellemző a területre. A fő helyreállási periódus 100-300 ezer évvel a kihalás után következett, amikor a növényvilág változatossága már folyamatosan növekedett. A lelőhely így konkrét időtávokat rendel a földi élővilág egy nagy kihalást követő helyreállásához.

Fontosnak tűnik még annak a kiderítése, hogy milyen folyamat lehetett felelős a kihalást követő felmelegedésért. A kutatók az okot az Indiai-szubkontinensen zajló Dekkán-trapp vulkanizmusban látják, amelynek a fő tevékenysége a kérdéses időszakban zajlott – a Science-ben az idén megjelent, a cikkben is idézett tanulmányok legalábbis erre utalnak.

Amennyiben további lelőhelyek és kutatások segítségével bebizonyosodik az összefüggés a K-Pg kihalást követő Dekkán-vulkanizmus és az élővilág helyreállása között, az ironikus fordulatot jelent a Föld ötödik nagy kihalásának megértésében. Korábban ugyanis pontosan a K-Pg kihalás egyik potenciális kiváltójának tartották a vulkanikus aktivitást, nem pedig az élővilág helyreállását segítő körülménynek.

Összességében ezzel a két friss tanulmánnyal és a korábban tárgyaltakkal az idei évben sikerült sokkal közelebb jutni ahhoz, hogy megértsük, mi történt 66 millió éve, amikor egy kozmikus véletlennek köszönhetően alapjaiban íródott át a földi élővilág evolúciója.

Források:

Henehan, M., Ridgwell, A., Thomas, E., Zhang, S., Alegret, L., Schmidt, D., Rae, J., Witts, J., Landman, N., Greene, S., Huber, B., Super, J., Planavsky, N., Hull, P. (2019). Rapid ocean acidification and protracted Earth system recovery followed the end-Cretaceous Chicxulub impact Proceedings of the National Academy of Sciences 10.1073/pnas.1905989116

Lyson, T., Miller, I., Bercovici, A., Weissenburger, K., Fuentes, A., Clyde, W., Hagadorn, J., Butrim, M., Johnson, K., Fleming, R., Barclay, R., Maccracken, S., Lloyd, B., Wilson, G., Krause, D., Chester, S. (2019). Exceptional continental record of biotic recovery after the Cretaceous–Paleogene mass extinction Science 10.1126/science.aay2268