Лесные пожары в эпоху динозавров: вулканы и папоротники создали разрушительный цикл огня

Около 201 миллиона лет назад Земля пережила один из самых разрушительных экологических кризисов в своей истории. Мощные вулканические извержения выбросили в атмосферу огромные объемы углекислого газа, глобальные температуры резко выросли, леса начали гибнуть, а огромные территории северо-западной Европы превратились в ландшафты, покрытые папоротниками. Новое исследование показало, что эти папоротниковые саванны не просто пришли на смену умиравшим лесам. Они многократно выгорали, создавая разрушительный цикл пожаров, эрозии, наводнений и экологического ущерба во время триасового массового вымирания — одного из пяти крупнейших вымираний в геологической истории Земли.

Извержения и изменение климата

Экологический кризис был связан с Центрально-Атлантической магматической провинцией — одним из крупнейших эпизодов вулканической активности в истории планеты. Извержения происходили в то время, когда суперконтинент Пангея начинал распадаться и формировался ранний Атлантический океан. За время основного вулканического этапа, длившегося примерно 400 тысяч лет, излилось или внедрилось в кору около одного миллиона кубических километров магмы. Вулканическая провинция простиралась на территории, которые сейчас разделены между Европой, Африкой и Америкой.

Вулканическая активность выбросила примерно 100 тысяч гигатонн углекислого газа. Концентрация углекислого газа в атмосфере выросла с 600 до примерно 2250 частей на миллион, а глобальная температура повысилась на 3–4 градуса по Цельсию. Извержения происходили не равномерно — мощные импульсы длительностью в несколько столетий могли высвобождать огромные количества углекислого газа за относительно короткие периоды, создавая сильное давление на экосистемы, развивавшиеся в гораздо более прохладных и стабильных условиях.

Смена растительности и распространение папоротников

Ископаемые остатки показывают, что кризис разворачивался через цепочку взаимосвязанных экологических изменений. Леса хвойных деревьев, доминировавшие на большей части региона, начали отмирать по мере повышения температур и усиления нестабильности режима осадков. Папоротники и другие растения-первопроходцы быстро заселяли освободившиеся пространства. Густая папоротниковая растительность распространилась по прибрежным равнинам и заболоченным территориям, окружавшим древний Лавразийский морской путь, заменяя леса, которые могли созревать десятилетиями или столетиями.

Эти растения могли быстро восстанавливаться после нарушений, но их рост также создавал обширный и связанный слой горючего материала. Когда засушливые периоды высушивали растительность, огонь мог быстро распространяться по покрытому папоротниками ландшафту. Современные заросли папоротников могут образовывать плотные маты из живой и мертвой растительности, способные поддерживать быстро движущиеся поверхностные пожары. Некоторые вьющиеся папоротники также могут разрастаться по деревьям и окружающей растительности, создавая так называемые «топливные лестницы», позволяющие пламени подниматься с земли в кроны деревьев.

Цикл пожаров

Исследователи обнаружили, что характер пожаров менялся по мере изменения растительности. До кризиса вымирания пожары были менее частыми, но могли достигать большей интенсивности в существующих лесах. Во время кризиса ландшафт сместился в сторону более частых поверхностных пожаров, распространявшихся через растительность из папоротников и кустарников. Предыдущие работы на участке в Гренландии зафиксировали пятикратное увеличение пожарной активности на границе триаса и юры. Данные из Швеции и Дании также указывают на переход от редких верховых пожаров к повторяющимся поверхностным возгораниям. Это говорит о том, что меняющаяся растительность не просто реагировала на пожары, но и сама могла создавать условия, в которых огонь легче возникал и распространялся.

Темные ископаемые пыльца и споры

Одной из самых сильных улик стали потемневшие ископаемые пыльца и споры. Исследователи изучили 306 микроскопических препаратов и собрали более 13 тысяч измерений цвета, чтобы определить, насколько сильно изменился древний растительный материал. Нормальные пыльца и споры, найденные в слоях пород до и после интервала вымирания, обычно желтые или светло-коричневые. В слое пожаров многие образцы стали темно-коричневыми, а некоторые достигли уровня потемнения свыше 70 процентов и выглядели почти черными.

Исследователи рассмотрели несколько возможных причин этого потемнения. Температура захоронения была исключена, поскольку потемнение было ограничено узким геологическим интервалом в четырех местах с очень разной историей захоронения. Если бы изменение цвета было вызвано длительным нагреванием под землей, аналогичное потемнение должно было бы появиться в более крупных участках каждого керна. Переотложенные ископаемые остатки также были исключены, поскольку потемневшие пыльца и споры оставались необычно хорошо сохранившимися.

Кислотные дожди и повышенное ультрафиолетовое излучение рассматривались как возможные причины, но ни одно объяснение не соответствовало однородному внешнему виду и тонкой сохранности ископаемого материала. Хрупкие остатки насекомых также сохранились в частях того же интервала, что делает сильную химическую коррозию маловероятной.

Экспериментальное подтверждение

Лабораторные эксперименты дали еще одно важное доказательство. Современные споры плаунов, нагретые до температуры около 600 градусов по Цельсию, становились темно-коричневыми, сохраняя при этом свою микроскопическую структуру. Эта температура попадает в диапазон, производимый растительными и лесными пожарами, которые могут достигать примерно 350–800 градусов. Нагретые современные споры очень напоминали потемневшие ископаемые, обнаруженные в слое вымирания.

Эксперименты не могут выявить точную температуру каждого древнего пожара. Ископаемые споры могли быть прикреплены к растениям, лежать на земле или быть погребены близко к поверхности, когда проходило пламя. Однако сходство подтверждает идею о том, что древние пыльца и споры были обожжены, опалены или частично превращены в древесный уголь по мере того, как пожары проходили по папоротниковым саваннам.

Другие свидетельства пожаров

Темный растительный материал сопровождался микрочастицами древесного угля и химическими веществами, образующимися при горении. Пики нескольких индикаторов пожаров совпали с самым сильным ростом спор папоротников и самым темным ископаемым материалом. Это наложение связывает гибель установившейся растительности, распространение папоротников и увеличение числа пожаров в один и тот же период. Это также говорит о том, что огонь стал основной силой, формирующей ландшафт, а не случайным нарушением.

Химические данные указывают на то, что некоторые пожары были интенсивными. Отложения, образовавшиеся непосредственно перед границей триаса и юры, содержали повышенные концентрации тяжелых углеводородов, образующихся при пожарах, даже в тех случаях, когда общее количество сохранившегося органического материала было низким. Самые сильные сигналы пожаров совпадали с зоной потемневших ископаемых и быстрым распространением папоротниковой растительности. Пожары продолжались и в раннюю юру, но данные свидетельствуют о том, что эти более поздние события были в целом менее серьезными.

Замкнутый круг

Повторяющиеся пожары делали восстановление лесов все более трудным. Молодые деревья и другие медленно растущие растения могли возвращаться в периоды затишья, но уничтожались до того, как могли восстановить зрелый полог. Папоротники могли восстанавливаться быстрее, поддерживая необходимый для дальнейших пожаров слой горючего материала. Очень короткие интервалы между пожарами также могут объяснять, почему так много ископаемых спор в темной зоне демонстрируют сходный уровень термического изменения.

Потеря растительности обнажила почву и породы для эрозии. Когда возвращались сильные дожди, паводковые потоки несли пепел, древесный уголь, осадки и обломки в прибрежные воды, где они сохранялись в слоях пород. Геологические данные из Скандинавии указывают на сильно колеблющиеся условия: продолжительные засухи сменялись экстремальными осадками и внезапными наводнениями. Ландшафт мог неоднократно переходить от высыхания к горению и затем к разрушительной эрозии.

Значение открытия

Исследование представляет наземную среду, поврежденную последовательностью взаимосвязанных катастроф. Вулканические выбросы изменили атмосферу, повышение температуры поставило леса в условия сильного теплового и водного стресса, засуха высушила сменявшую их растительность, а усиливающаяся штормовая активность создавала больше возможностей для возникновения пожаров от молний. Огонь затем многократно проходил по папоротниковым саваннам, а интенсивные осадки смывали материал с выгоревшей земли. Каждый этап ослаблял ландшафт и уменьшал возможность восстановления стабильных лесов.

Пожары сами по себе не вызвали триасовое массовое вымирание. Морские экосистемы также были опустошены, а океанические изменения, атмосферные нарушения, нестабильность углеродного цикла и прямые последствия масштабного вулканизма — все это внесло вклад в общий кризис. Вымирание растений на уровне семейств было менее серьезным, чем потери среди многих групп животных. Однако региональная смена растительности все равно была драматичной, причем некоторые оценки показывают, что от 17 до 73 процентов типов пыльцы и спор исчезли на низших таксономических уровнях.

Современные параллели

Современные условия не идентичны триасовому миру, и древние вулканические выбросы происходили в другие геологические временные масштабы. Однако геологическая летопись показывает, как повышение температуры, изменение режима осадков, продолжительная засуха, экстремальные осадки и потеря растительности могут начинать усиливать друг друга. Как только зрелые леса исчезают и легковоспламеняющиеся растения занимают поврежденную землю, огонь может стать частью повторяющегося экологического цикла. Триасовые породы сохранили остатки ландшафта, который боролся за восстановление, но жара, засуха, пожары и эрозия возвращались снова и снова.