Что убило динозавров и другую жизнь на Земле?

Биологическая история Земли была отмечена массовыми вымираниями, которые уничтожили подавляющее большинство живых видов в одно геологическое мгновение.

Основываясь на данных ископаемых останков, ученые определили пять таких событий, изменивших жизнь на Земле, самое известное из которых привело к гибели могучих динозавров в конце мелового периода 66 миллионов лет назад.

Причина этих катастроф остается предметом острой научной дискуссии. Некоторые ученые утверждают, что наиболее вероятными агентами массового разрушения были кометы или астероиды, врезавшиеся в Землю, в то время как другие указывают на крупные извержения вулканов.

Доцент кафедры наук о Земле Бренхин Келлер принадлежит к последнему лагерю. В новом исследовании, опубликованном в журнале PNAS, Келлер и его соавторы приводят убедительные доводы в пользу того, что вулканическая активность является ключевым фактором массовых вымираний. Их исследование представляет собой наиболее убедительное на сегодняшний день количественное доказательство того, что связь между крупными извержениями вулканов и массовым вымиранием видов не просто случайность.

По словам исследователей, четыре из пяти массовых вымираний происходили одновременно с извержениями вулканов, называемых базальтовыми потопами. Это серия извержений (или одно гигантское), которые заливают лавой огромные территории в мгновение ока, всего за миллион лет. Они оставляют после себя гигантские отпечатки - обширные регионы ступенчатых магматических пород, которые геологи называют крупными магматическими провинциями.

Чтобы считаться "крупной", магматическая провинция должна содержать не менее 100 000 кубических километров магмы. Для сравнения, при извержении вулкана Сент-Хеленс в 1980 году было израсходовано менее одного кубического километра магмы.

На самом деле серия извержений на территории, известной сегодня как Сибирь, спровоцировала самое разрушительное из массовых вымираний около 252 миллионов лет назад, выбросив в атмосферу гигантскую порцию углекислого газа и практически уничтожив все живое. Свидетельством тому являются Сибирские ловушки - большой регион вулканической породы размером примерно с Австралию.

Вулканические извержения также потрясли Индийский субконтинент во время великого вымирания динозавров, создав то, что сегодня известно как Деканское плато. Это, как и удар астероида, имело бы далеко идущие глобальные последствия, покрывая атмосферу пылью и токсичными испарениями, удушая динозавров и другие виды жизни.

"Похоже, что эти крупные магматические провинции совпадают по времени с массовыми вымираниями и другими значительными климатическими и экологическими событиями", - говорит Теодор Грин '21, ведущий автор статьи.

С другой стороны, говорят исследователи, теории в пользу уничтожения в результате удара астероида основываются на импакторе Чиксулуб, космическом камне, который упал на мексиканский полуостров Юкатан примерно в то же время, когда вымерли динозавры.

"Все другие теории, которые пытались объяснить, что погубило динозавров, потерпели крах, когда был обнаружен кратер, выдолбленный астероидом, - говорит Келлер. Но, несмотря на десятилетия исследований, доказательств подобных столкновений, совпадающих с другими массовыми вымираниями, очень мало, отмечает он.

В своей дипломной работе Грин поставил перед собой цель найти способ количественно оценить очевидную связь между извержениями и вымираниями и проверить, является ли это совпадение случайностью или существуют доказательства причинно-следственной связи между этими двумя явлениями. В сотрудничестве с Келлером и соавтором Полом Ренне, профессором наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли, Грин обратился к суперкомпьютерам Дартмутского кластера открытий для подсчета цифр.

Исследователи сравнили лучшие из имеющихся оценок извержений базальтовых потопов с периодами резкого исчезновения видов в геологической шкале времени, включая пять массовых вымираний, но не ограничиваясь ими. Чтобы доказать, что совпадение по времени было не просто случайностью, они проверили, совпадают ли извержения со случайным шаблоном, и повторили эксперимент со 100 миллионами таких шаблонов. "Менее 1% смоделированных графиков совпали с фактическими данными о базальтовых потопах и вымираниях, что говорит о том, что эта связь не является случайностью", - говорит Грин, который сейчас учится в аспирантуре в Принстоне.

Но является ли это достаточным доказательством того, что вулканические базальты вызвали вымирание? Если бы существовала причинно-следственная связь, ученые ожидали, что более крупные извержения повлекут за собой более серьезные вымирания, но до сих пор такой корреляции не наблюдалось.

Пересмотрев подход к определению тяжести извержений, исследователи в своей работе убедительно доказывают, что вулканы однозначно виновны.

Вместо того чтобы рассматривать абсолютную величину извержений, они упорядочили события по скорости, с которой они извергали лаву, и обнаружили, что вулканы с самой высокой скоростью извержения действительно вызывали наибольшие разрушения.

"Наши результаты не позволяют игнорировать роль вулканизма в вымирании", - говорит Келлер.

Исследователи проверили цифры и для астероидов. Совпадение столкновений с периодами смены видов было значительно слабее, и только ухудшилось, когда не учитывался импактор Чиксулуб.

Скорость извержения Деканских траппов в Индии говорит о том, что даже без астероида была создана сцена для широкомасштабного вымирания, говорит Грин. Удар был тем двойным ударом, который громко прозвучал для динозавров, добавляет он.

Базальтовые извержения, вызванные потопом, не часто встречаются в геологической летописи, говорит Грин. Последнее извержение сопоставимого масштаба произошло около 16 миллионов лет назад на Тихоокеанском северо-западе. Но есть и другие источники выбросов, которые представляют угрозу в наши дни, говорят исследователи.

"Хотя общее количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу при современном изменении климата, все еще очень мало по сравнению с количеством, выбрасываемым крупной магматической провинцией, к счастью, - говорит Келлер, - мы выбрасываем его очень быстро, что является причиной для беспокойства".

Грин говорит, что такая скорость выбросов углекислого газа ставит изменение климата в рамки исторических периодов экологических катастроф.

Грин описывает дартмутскую программу Senior Fellowship, которая позволяет студентам старших курсов выходить за рамки учебного плана на старших курсах, как уникальную возможность погрузиться в выбранную им область и развить вкус к исследованиям.

"Эта работа - отличный пример того, чего могут добиться старшие стипендиаты", - говорит Келлер.