Temu ostatniemu z wielkich wymierań powszechnie przypisywano do tej pory głównie przyczynę astronomiczną, gdyż w granicznych utworach kredy i paleogenu istniały niepodważalne dowody impaktu asteroidy w tym czasie: wielki krater Chicxulub w Meksyku na Jukatanie (ok. 180 km średnicy); wskaźniki geochemiczne, w tym warstwa wzbogacona w iryd – pierwiastek rzadko spotykany na Ziemi, a często występujący w meteorytach; stosunki izotopowe osmu i renu świadczące o materii pozaziemskiej; czy poziom sferul impaktowych, tzn. kulek szkliwa powstałego na skutek stopienia się meteorytu oraz skał, w które ten meteoryt uderzył. Znaleziono także w warstwach oceanicznych mikroskopijne fragmenty samej asteroidy. Należy dodać, że jest to jedyne wielkie wymieranie w okolicach którego mamy tak niepodważalny dowód na kosmiczny impakt.
Asteroida niewinna?
Najnowsze datowania wykonane z zastosowaniem pomiarów radiometrycznych sferul impaktowych znalezionych na Haiti są bardzo dokładne – impakt nastąpił 66 038 000 lat temu (pomiar z dokładnością do pojedynczych tysięcy lat – wynik nieprawdopodobnie dokładny, jak na tak odległy czas). Wyniki weryfikacji przeprowadzonej przez wielu naukowców są jednak jednoznaczne: impakt Chicxulub miał wpływ na procesy globalne, ale był to wpływ co najwyżej dodatkowy. Rezultaty wysokorozdzielczych badań dowiodły, że impakt nie zainicjował wymierania – większość grup zwierzęcych przeszła głęboki kryzys i wymarła jeszcze przed kosmicznym zderzeniem, w tym najprawdopodobniej dinozaury, ale także np. wiele otwornic planktonicznych. Kryzys biosfery trwał także przynajmniej milion lat po kosmicznym zderzeniu, co zaprzecza prostemu związkowi przyczynowo-skutkowemu tych wydarzeń.
Krater Chicxulub na półwyspie Jukatan (średnica 180 km, głębokość 1 km), obok mapa anomalii siły ciężkości w rejonie krateru. Źródło: http://solarsystem.nasa.gov
Należy dodać, że warstwy ze sferulami impaktowymi nie zawsze są równoczasowe, niektóre z nich są starsze od samego impaktu i granicy kredy i paleogenu o około 150 000 lat. Ponadto, wiele z nich jest znajdowanych w warstwach młodszych od impaktu - to efekt redepozycji (przeniesienia i ponownego osadzenia) sferul, tak więc przy ich badaniu trzeba zachować daleko idącą ostrożność.
Najsłynniejsze ofiary wymierania pod koniec okresu kredowego to oczywiście dinozaury. Badania prowadzone w skali globalnej udowodniły niezbicie, że przeżywały one kryzys i zaczęły zanikać już na kilka milionów lat przed końcem kredy, długo przed impaktem asteroidy i powstaniem warstwy wzbogaconej w iryd i sferule impaktowe. Najdłużej dinozaury przetrwały w Ameryce Północnej, ale i tam zaznacza się stopniowy spadek ich różnorodności i liczebności. W ciągu ostatnich 10 milionów lat okresu kredowego (późny kampan - późny mastrycht) liczba gatunków dinozaurów w Ameryce Północnej spadła z 49 do 25, co oznacza redukcję prawie aż o 50%! (Archibald, 2014). Spadek ten nasilił się zwłaszcza na początku mastrychtu i był prawdopodobnie wywołany zmianami klimatycznymi, na które z czasem zaczął oddziaływać w zasadniczym stopniu wulkanizm na półwyspie (wówczas wyspie) Dekan. W końcu dinozaury zupełnie znikły (przynajmniej według istniejących dowodów paleontologicznych) również i w Ameryce Północnej – na około 100 tysięcy lat przed impaktem! Co więcej, ten wywołany najprawdopodobniej zmianami klimatycznymi kryzys ekosfery dotknął także inne kręgowce, a profil najwyższych kilku metrów utworów kredowych w Północnej Ameryce jest praktycznie pozbawiony skamieniałości kręgowców. Jeśli więc nawet (co wciąż możliwe) ostatnie niedobitki dinozaurów (np. Triceratops) dożyły końca kredy, impakt mógł być dla nich jedynie ostatnim „ciosem łaski”, a nie główną przyczyną zagłady.
Artystyczna wizja zagłady dinozaurów. Zina Deretsky, National Science Foundation, 2008
Co więc zabiło dinozaury?
Wszystko wskazuje na niezwykle intensywny wulkanizm, którego efektem są słynne trapy Dekanu. Wpisują się one znacznie lepiej w scenariusz poszczególnych faz wymierania w pobliżu granicy kredy i paleogenu – nie tylko dinozaurów, ale i innych grup organizmów lądowych i morskich.
Co więcej, udało się powiązać fazy wylewów bazaltów z fazami wymierań. Głównych faz wylewów było trzy, w trakcie pierwszej powstało ok. 6% ogólnej objętości bazaltów Dekanu, podczas drugiej (najsilniejszej) 80%, a trzeciej - 14%. Największe wymieranie wiąże się z drugą fazą - granica kredy i paleogenu znajduje się w jej stropie, a dinozaury wyginęły najprawdopodobniej w trakcie trwania tej fazy. Faza trzecia jedynie opóźniła odrodzenie ewolucyjne na początku paleogenu. We wszystkich fazach występowały pulsy gigantycznych wylewów (każdy z nich o objętości ponad 10 000 km3 i rozciągłości jęzorów lawowych na powierzchni do 1500 km). Szacuje się, że każdy z tych pulsów był porównywalny lub większy pod względem wyekspediowanych do atmosfery lotnych składników od całego efektu impaktu Chicxulub!
Wulkanizm Dekanu, zmiany klimatu i masowe wymieranie w Indiach na granicy kredy i trzeciorzędu. Na podstawie: Gerta Keller, 2014
Zatem wymieranie nastąpiło przede wszystkim wskutek aktywności plamy gorąca i wielkiej prowincji wulkanicznej, przy udziale warunków beztlenowych w oceanach, zmian klimatycznych i znacznych wahań poziomu morza u schyłku kredy - impakt mógł odegrać jedynie rolę dodatkowego i raczej krótkotrwałego czynnika kryzysowego dla bardzo już wtedy osłabionych ekosystemów kredowych.
Coraz precyzyjniejsze obecnie modele wyziewów gazów z wulkanicznych trapów Dekanu wskazują na dominującą rolę związków siarki, fluoru, chloru, a także wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Ilość związków wyekspediowanych do atmosfery powodowała wielkie zaburzenia klimatyczne, w tym raptowne ochłodzenia i kwaśne deszcze. Z kolei emisje dwutlenku węgla i metanu silnie ocieplały klimat, sprawiając swoistą „klimatyczną huśtawkę”, zabójczą dla ekosystemów.
Klimat kredy przez dziesiątki milionów lat był ciepły i względnie stabilny. Ekosystemy przystosowały się do takich znakomitych warunków, a konkurencja ewolucyjna prowadziła do coraz większej specjalizacji. Tak „doregulowany” świat organiczny jest bardzo wrażliwy na raptowne zmiany, jakie spowodowały wielkie erupcje wulkaniczne.
Dotyczyło to także dinozaurów – ich mniej wyspecjalizowani przodkowie u schyłku triasu poradzili sobie z gwałtownymi zmianami środowiskowymi związanymi z ówczesną wielką prowincją wulkaniczną centralnego Atlantyku, a potem zdominowali świat na całe 135 milionów lat. Ich potomkowie padli jednak ofiarą równie gwałtownych zmian, gdyż zależność od danych warunków środowiskowych i ukształtowana przez miliony lat struktura piramidy pokarmowej, może też podatność gatunkowa, w tym zależności koewolucyjne różnych gatunków, zadziałały na niekorzyść tej królewskiej grupy zwierząt w czasie wielkiego kryzysu.
Wymarłe fauny triasowe i odrodzenie ewolucyjne w jurze – na podstawie Grzegorz Pieńkowski, Grzegorz Niedźwiedzki i Paweł Brański, 2014
Geologiczny powód upadku Bastylii
Warto przytoczyć interesującą analogię z naszej ludzkiej historii. Komputerowe modele oddziaływania prowincji wulkanicznych na atmosferę i klimat, oparte na analizie powstawania i rozprzestrzeniania się aerozoli (np. model GLOMAP), bazują na analizie aktywności współczesnych (na szczęście znacznie mniejszych) wulkanów – np. erupcji islandzkiego wulkanu Laki w latach 1783-1784. Erupcja tego wulkanu była zjawiskiem znikomym w porównaniu z oddziaływaniem wielkich prowincji wulkanicznych, powodujących wielkie wymierania w dziejach Ziemi. Dostarczyła do atmosfery ziemskiej zaledwie ok. 120 mln ton dwutlenku siarki w czasie 8 miesięcy. Wystarczyło to jednak do wywołania w Europie znacznego ochłodzenia i trwającego przez kilka kolejnych lat nieurodzaju, a w efekcie głodu. W zjawiskach tych powszechnie upatruje się jedną z głównych przyczyn Wielkiej Rewolucji Francuskiej (1789–1799).
Schemat rozprzestrzeniania się produktów erupcji wulkanicznych na przykładzie erupcji wulkanu Laki w 1783-1784 roku (na podstawie Thordarson i Self, 2003). Uważa się, że podobne erupcje szczelinowe charakteryzowały wulkanizm Dekanu w Indiach u schyłku okresu kredowego. Co do skali, wielka prowincja wulkaniczna Dekanu była ekwiwalentem 100 000 wulkanów rozmiaru Laki, a po uwzględnieniu objętości skał wulkanicznych usuniętych z Dekanu przez późniejszą erozję stosunek ten wyraża się jak 300 000 : 1
Potrzebny czas
Wśród przyczyn wielkich wymierań (także tych pod koniec triasu i kredy) podkreśla się obecnie nie tylko gwałtowność zjawisk wywierających wpływ na ekosystem, ale także czas ich oddziaływania. Pojedynczy, nawet wielki, impakt o oddziaływaniu globalnym wywiera swoje dewastujące skutki krótko. Życie zawsze gdzieś przetrwa i odrodzi się w podobnym kształcie. Do zabicia dinozaurów i wielu innych, dominujących w tamtych czasach, organizmów potrzebne było także odpowiednio długie oddziaływanie czynników stresowych na ekosystemy. Takimi zabójcami były właśnie wielkie prowincje wulkaniczne.
Czy jednak można w całości odrzucić przyczyny kosmiczne?
Teoria impaktowa, która przeważała jeszcze 10 lat temu, wydaje się być w odwrocie. Paradoksalnie jednak na uwagę zasługują nowe dane astronomiczne, pozwalające na podtrzymanie hipotezy o wpływie nie tyle upadków asteroid, ile raczej seryjnych impaktów obiektów lodowych. Ojczyzną tych obiektów są obszary poza orbitą Neptuna. Ocenia się, że może być tam wciąż ponad 70 000 lodowych obiektów o średnicy przekraczającej 100 km. Liczba tych lodowych obiektów w obrębie tzw. Pasa Kuipera, ich trajektorie i rozmiary pozostają wciąż mało znane. Kiedy ich orbity schodzą ku wielkim planetom, nazywamy je centaurami. Komety to z kolei nic innego jak centaury, których orbity zmierzają ku Słońcu. Impakty takich obiektów są bardzo trudne do wykrycia za pomocą metod geochemicznych, pozostaje tylko krater – struktura często ulegająca zatarciu, zwłaszcza jeśli była położona na skorupie oceanicznej, ulegającej niszczeniu w procesach kolizji płyt litosfery, np. subdukcji. Jest prawdopodobne, że przypadkowe zaburzenia orbit lodowych gigantów (> 100 km średnicy) mogły je wprowadzać na orbity o peryhelium mniejszym od jednostki astronomicznej (średnia odległość Słońce – Ziemia). Obiekty takie ulegałyby dezintegracji na liczne mniejsze, ale ich wspólna orbita mogła pozostawać stała przez setki tysięcy lat, podnosząc wydatnie prawdopodobieństwo seryjnych zderzeń z Ziemią.
Pozostaje jeszcze śmiała hipoteza, że plamy gorąca, pióropusze magmowe i związane z nimi wielkie prowincje magmowe mogą być genezy… impaktowej - dokładniej, wyjątkowo wielkich impaktów. Pogląd ten, aczkolwiek frapujący, pozostaje jedynie domysłem, gdyż jak do tej pory nie znaleziono na taki mechanizm jakichkolwiek dowodów.
prof. Grzegorz Pieńkowski
Państwowy Instytut Geologiczny
