Від чого вимерли динозаври — 2

Фото з сайту pixabay.com

Продовжуємо дискусію про вимирання динозаврів. У минулому випуску «Троїцького варіанту» ми присвятили цій дискусії п’ять сторінок, але можна сказати, що «не доспорили». По-перше, не було чітко артикульовано, на яких аргументах ґрунтується гіпотеза про вирішальну роль астероїда в феномені вимирання динозаврів — чому вона стала мейнстрімом серед палеонтологів. Це упущення виправляє зоолог Павло Скучас.

По-друге, залишилася недоговореність з приводу ролі вулканізму — тут виникла суперечність між палеонтологом Андрієм Журавльовим і геофізиком Олексієм Івановим. Суперечка триває в цьому випуску, хоча вона, мабуть, і тут не доведена до кінця, та й навряд чи при сучасних даних тут може бути поставлена крапка. Палеонтолог Кирило Єськов на закінчення заперечує проти нашого природного бажання шукати прості рішення складних проблем.

***

Роль імпакту

Павло Скучас, доктор біологічних наук, доцент кафедри зоології хребетних біофаку СПбДУ:

Павло Скучас

Незалежно від наших особистих уподобань наукова гіпотеза вважається «пріоритетною» (= мейнстрімовою), якщо вона найбільш просто пояснює подію і містить найменшу кількість протиріч і припущень. На даний момент такою гіпотезою є саме «імпактна» гіпотеза (= падіння астероїда). «Вулканічна» гіпотеза, як і інші (наприклад, «екологічна»), меншою мірою підтримані науковими фактами. Це не означає, що в майбутньому вони не можуть стати пріоритетними — таке цілком можливо за умови виявлення нових даних, що підтверджують саме ці гіпотези і не узгоджуються з імпактною (або її спростовують).

Найбільш важливими доказами саме імпакту як ключового тригера вимирання вважаються:

1) тимчасовий збіг імпакту та масового вимирання [1, 2] (альтернативний погляд див. у [3]);

2) швидке (катастрофічне) зникнення з палеонтологічного літопису представників деяких груп, включаючи нептичих динозаврів [4] (альтернативну точку зору див. у [5]) і різні морські організми (наприклад, бентосних молюсків, див. [6]);

3) швидке «підкислення» океану, що збігається за часом з імпактом (але не з початковими фазами вулканізму, див. [7]);

4) тимчасове похолодання на кордоні крейди/палеогену, яке краще пояснюється падінням астероїда в нафтоносний район Мексиканської затоки (з подальшим викидом аерозолів і сажі в стратосферу; див., наприклад, [8]);

і 5) тимчасовий неспівпадіння найбільш активних фаз вулканізму і масового вимирання [9] (альтернативну точку зору див. у [10]).

Зі слабких місць імпактної гіпотези варто відзначити складнооб’ясовну селективність (= вибірковість) вимирання. Якщо ми візьмемо північноамериканські пізньомілові-ранньопалеогенові фауни хребетних, то виявиться, що деякі групи на кордоні мел/палеоген зникають з літопису повністю (наприклад, непотрібні динозаври), деякі — частково (наприклад, зникають окремі види крокодилів, черепах, сумчастих ссавців), а деяких вимирання не торкнулося зовсім (виживають у повному складі.

Така вибірковість на перший погляд важко узгоджується з глобальним катастрофічним явищем і вимагає значної кількості допущень. Тим не менш повне вимирання нептичих динозаврів можна пояснити ланцюжком подій: придушення фотосинтезу рослин (за рахунок викиду при імпакті в стратосферу аерозолів і сажі та тимчасового «екранування» земної поверхні від сонячного випромінювання) — загибель частини рослин — значне скорочення харчової бази рослинноїдних динозаврів і їх вимирання, а потім і вимирання великих хижих динозаврів.

При цьому водні хребетні (крокодили, черепахи, хористодери) виживають, оскільки в екосистемах, де вони мешкають, трофичні ланцюги починаються не з фотосинтезуючих рослин (продуцентів), а з детриту (органіки, що розкладається), а значить, вони більш резистентні до тимчасового придушення фотосинтезу рослин [1]. Ситуація з амфібіями і плацентарними ссавцями складніша для пояснення, проте слід врахувати, що це в переважній більшості не рослинноїдні форми.

Цікаво відзначити нещодавно висунуту ідею [1] про те, що декканський вулканізм (а саме викид парникових газів при виверженнях), навпаки, перешкоджав критичному похолоданню, викликаному імпактом, і «врятував» безліч груп від вимирання.

Для отримання відповіді на питання «Від чого вимерли динозаври?» нам як і раніше не вистачає даних про динаміку різноманітності динозаврів перед вимиранням і про характер їх вимирання в різних точках земної кулі. Поки ми орієнтуємося на єдину безперервну в інтервалі «самий кінець крейди — початок палеогену» послідовність фаун наземних хребетних, відому з Північної Америки. Не виключено, що основні причини вимирання непташиних динозаврів були різними в різних географічних областях. Тим не менш, перефразовуючи знамените висловлювання Вінстона Черчилля, можна так охарактеризувати сьогоднішню ситуацію: «Імпактна гіпотеза — найгірша гіпотеза, якщо не брати до уваги всіх інших».

Література1

. Chiarenza A. A. et al. Asteroid impact, not volcanism, caused the end-Cretaceous dinosaur extinction // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020. 117(29). P. 17084–17093.

2. Goderis S. et al. Globally distributed iridium layer preserved within the Chicxulub impact structure // Science Advances. 2021. V. 7. P. eabe3647.

3. Keller G. et al. Chicxulub impact predates the K-T boundary mass extinction // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2004. 101(11). P. 3753–3758.

4. Brusatte S. L. et al. The extinction of the dinosaurs // Biological Reviews. 2015. 90. P. 628–642.

5. Sakamoto M. Dinosaurs in decline tens of millions of years before their final extinction // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2016. 113 (18). P. 5036–5040.

6. Witts J. D. et al. Macrofossil evidence for a rapid and severe Cretaceous-Paleogene mass extinction in Antarctica // Nature Communications. 2016. 7. P. 11738.

7. Henehan M. J. et al. Rapid ocean acidification and protracted Earth system recovery followed the end-Cretaceous Chicxulub impact // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2016. 116(45). P. 22500–22504.

8. Kaiho K. et al. Global climate change driven by soot at the K-Pg boundary as the cause of the mass extinction // Scientific Reports. 2016. 6. P. 28427.

9. Sprain C. J. et al. The eruptive tempo of Deccan volcanism in relation to the Cretaceous-Paleogene boundary // Science. 019. 363. 2P. 866–870.

10. Schoene B. et al. U-Pb constraints on pulsed eruption of the Deccan Traps across the end-Cretaceous mass extinction // Science. 2019. 363. P. 862–866.

11. Archibald J. D. Dinosaur Extinction and the End of an Era. What the Fossils Say. Critical Moments in Paleobiology and Earth History Series. Columbia University Press, 1996.

***

«Зв‘язок мелового палеогенового вимирання з вулканами здається мені найменш ймовірною»

Андрій Журавльов, доктор біологічних наук, професор кафедри біологічної еволюції біофаку МДУ:

Андрій Журавльов. Фото з сайту polymus.ru

Чесно кажучи, для мене набагато більший інтерес представляють питання, чому хтось з’явився саме в цей час і саме в цьому місці, і в меншій мірі я заінтригований проблемою вимирань. В останніх загадок набагато менше, оскільки є тривала передісторія, зображена в осадових, вулканічних та інших відкладеннях, — виходячи з цих даних можна будувати гіпотези, що перевіряються.

Відомі, наприклад, мінімальні обсяги вулканічних відкладень, приурочених до пермсько-тріасового рубежу в Сибіру, і приблизний часовий інтервал, за який вони сформувалися. Знаючи, скільки і яких газів подібний тип вулканів виділяє сьогодні, не важко побудувати модель зростання вмісту вуглекислого газу в атмосфері на шаленому рубежі, додати в неї дані по додаткових надходженнях вуглекислого газу і галогенів в результаті нагріву вугленосних і солоносних відкладень, що опинилися в області виверження, і подивитися, до яких результатів для біосфери все це могло привести.

Далі знову звернутися до геологічних відкладень і відшукати зміни в літологічному, ізотопному та елементному складі, що вказують на різке зростання температури, на підкислення вод Світового океану тощо. Ці дані накласти на кількісні показники в зміні складу копалин фаун і цілих спільнот, великої кількості видів, їх розподілу в просторі тощо. Ось тоді можна говорити про те, що пермсько-тріасова вулканічна катастрофа дійсно призвела до істотних змін у складі біосфери…

І відзначити, що порушені в першу чергу були групи організмів, найбільш схильних до негативного впливу вищеназваних факторів через гіперкапнію (т. є отруєння CO₂), анексію (відсутність кисню в організмі), підвищену кислотність і температуру води. Причому «допомогла» вулканам незвичайна палеогеографія планети, коли в найскладніший момент найбільш різноманітні морські фауни опинилися в пастці напівзамкнутого океану Тетіс.

Це означає, що, трапившись подібна вулканічна катастрофа за інших обставин, вона позначилася б на біосфері меншою мірою, а може (як в кембрійському періоді), і зовсім б не позначилася.

І не забуваймо про еволюцію рослинного покриву, оскільки найважливіші інновації рослин — судини, коренева система, деревоподібні форми, насіння — призводили до суттєвих змін темпів вивітрювання на суші та обсягів біогенних речовин, що надходять в океан, і, як наслідок, до суттєвих змін клімату (рис. 1) [1].

Ріс. 1. Поява найбільш важливих груп наземних рослин, прискорення темпів захоронення органічної речовини (виражених у позитивних зрушеннях ізотопного підпису вуглецю в морських відкладеннях) та інтервали тривалих парникових (зелені смужки внизу) і льодовикових (сині) ер [1]

Тому зв’язок мелового палеогенового вимирання з вулканами здається мені найменш ймовірним. Так, до кінця пізньомілової епохи намічається невелика тенденція до підвищення температури, пов’язана з виверженнями на плато Декан. Але відбувається вона на тлі похолодання і не встигає навіть повернути «середні показники по лікарні» до типового пізньомілового кліматичного рівня [2].

Саме тоді, на початку пізньомілової епохи, практично зникли коралові рифи, оскільки особливості складу коралових скелетів не дозволяли цим істотам відкладати біомінерали при високому рівні вуглекислого газу. А якихось конкретних тварин самого кінця крейдяного періоду, кому «курорт» був протипоказаний, виділити важко.

Якщо ж ми подивимося на зміни в складі фаун великих морських хребетних під кінець мезозойської ери, то картина виявиться досить строкатою. Іхтіозаври, наприклад, повністю зникли на початку ранньомілової епохи (близько 90 млн років тому). Більш того, судячи з їх різноманітності, скажімо, в морях Європи, теж і «не думали» вимирати, немов динозаври, які дожили до крейди-палеогенового рубежу [3].

Невже і для них свій вулкан або метеорит, який побажав залишитися невідомим, був припасений? Після їхнього відходу роль головних «рибоящерів» дісталася мозазаврам. І здається, що ці морські варани почувалися непогано аж до відомих подій. Однак знову, як і динозаври, тільки місцями: наприклад, у високопродуктивній марокканській зоні апвелінгу — процвітали [4], а в Мексиканській затоці їх різноманітність (так само як і інших великих хребетних) різко впала за кілька мільйонів років до метеоритного удару [5]. Напевно, «передчували», що в даному місці їх нічого хорошого не чекає.

Ймовірно, подібні зміни складу хребетних відбувалися і на суші, але, на жаль, в силу фрагментарності континентальних відкладень з потрібною детальністю реконструйовані бути не можуть. А адже найбільша складність полягає не в розумінні вимирання великих динозаврів, а в питанні: чому вимерли дрібні пернаті види з високим рівнем обміну речовин? Інакше кажучи, чому одні птахи вимерли, а інші — вижили?

Література1

. Dahl T. W., Arens S. K. M. The impact of land plant evolution on Earth’s climate and oxygenation state — An interdisciplinary review // Chemical Geology. 2020. 547. P. 119665. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2020.119665.

2. Hubert B. T. et al. The rise and fall of the Cretaceous Hot Greenhouse climate // Global and Planetary Change. 2018. 167. P. 1–23.

3. Fischer V. et al. High diversity of Cretaceous ichthyosaurs from Europe prior to their extinction // PLOS ONE. 2014. 9(1). P. e84709. DOI: 10.1371/journal.pone.0084709.

4. Martin J. E. et al. Calcium isotope evidence for vulnerable marine ecosystem structure prior to the K/Pg extinction // Current Biology. 2017. 27. P. 1641–1644.

5. Ikejiri T. et al. Two-step extinction of Late Cretaceous marine vertebrates in northern Gulf of Mexico prolonged biodiversity loss prior to the Chicxulub impact // Scientific Reports. 2020. 10. P. 4169. DOI: 10.1038/s41598-020-61089-w.

***

Аномальні вулканічні виверження або метеоритний імпакт — хто тут мейнстрім?

Олексій Іванов, доктор геолого—мінералогічних наук, завідувач ЦКП «Геодинаміка та геохронологія» Інституту земної кори СО РАН, Іркутськ:

Олексій Іванов. Фото І.Солов’я

Досить багато років тому — так багато, що слідів в Інтернеті вже не знаходиться, — свою першу науково-популярну замітку я написав про те, як вчені довели, що динозаври вимерли в результаті падіння метеорита. Сьогодні я не впевнений, що саме падіння метеорита призвело до їх загибелі, і більш ніж упевнений, що фраза «Вчені довели метеоритну гіпотезу» дуже далека від реальності.

Метеоритна гіпотеза виглядає досить привабливо. Жили собі, нічого не відаючи, динозаври на Землі. Раптом впав великий метеорит у сульфатні морські опади. В результаті в атмосферу були викинуті гігатонни пилу і сірки у вигляді SO₂ і SO₃ [1]. Діоксид і тріоксид сірки, контактуючи з водою, конвертувалися в сірчану кислоту, що утворює шар у стратосфері. На додаток до ефекту запилення атмосфери це призвело до різкого короткочасного похолодання через відбиття сонячного тепла. Потім пролилися кислотні дощі. Нарешті, сірчана кислота знизила окислювальний потенціал атмосфери, що призвело до накопичення парникових газів (див. статтю [2] з описом процесу). У підсумку, хто не помер від холоду і кислотних дощів, той не пережив глобальне потепління.

Очевидно, що в цьому сценарії динозаври, так само як і інші тварини, вимирали швидко (роки, максимум десятиліття) і їхні масові залишки повинні були б перебувати безпосередньо в імпактному шарі, що має глобальне поширення, тобто у глині, що утворилася з осілої з атмосфери пилу, — або залягати безпосередньо на ній. Однак досі немає взагалі жодних знахідок динозаврів у цьому шарі. Традиційне пояснення пов’язує це з несприятливою властивістю захоронення кісткових залишків великих наземних тварин. Тим не менш катастрофічні вулканічні виверження, які, в якійсь мірі, можна припускати локальним аналогом метеоритного імпакту, призводили до масових поховань тварин, у тому числі сухопутних динозаврів; наприклад, до таких належать масові поховання біоти Чжехоль виняткової збереження [3]. Відповідно, якщо імпактна гіпотеза вірна, рано чи пізно такі масові поховання будуть знайдені.

Що ж з вулканічною гіпотезою? При аномальних виверженнях вулканів ефекти схожі в принципі. В атмосферу також викидаються попіл і сірка, це теж призводить до різкого похолодання і подальшого потепління [2]. Оцінки для Деканських траппів за кількістю викинутої сірки можна порівняти з оцінками для Чіксулубського імпакту [4]. Відмінність полягає в тому, що імпакт призводить до викидів речовини в атмосферу практично миттєво, а вулканізм розтягнутий на тисячоліття. Результати сучасного моделювання начебто показують, що імпакт міг призвести до вимирання динозаврів, а вулканізм — ні [5].

Однак моделювання залежить від вхідних параметрів, які погано відомі. Тож розгляньмо, чи узгоджуються з вулканічною гіпотезою знахідки залишків динозаврів? Для цього скористаємося даними зі статті [6], в якій відновлено послідовність вивержень Деканських траппів (рис. 1А), і порівняємо з осадовою послідовністю формації Хелл-Крик (США), в якій виявлена найбільш повна послідовність динозаврів [7, 8, 9] (рис. 1B, 1C).

Ріс. 1. Кореляція вулканічних вивержень Деканських траппів і палеонтологічних знахідок наймолодших динозаврів на заході США. Зображення A, B і C відтворено зі статей [6], [9] і [8] відповідно, з мінімальними змінами. На зображенні показано розташування знайденої кістки цератопсу зі статті [7]. Можливий вік кістки наймолодшого аламозавра показано за матеріалами статті [11]. На малюнку а червоними стрілками показано вікове положення наймолодших зі знайдених кісткових залишків

Рис. 1 вимагає детальних пояснень. На малюнку 1A вулканічна послідовність деканських вивержень і метеоритний імпакт датовані за допомогою U-Pb методу. Найпотужніші виверження (лави так званої формації Поладпур) відбулися незадовго до падіння метеорита, хоча частково датування перекриваються областями їх невизначеностей. В іншому місці Деканських траппів, між лавами, які можна віднести до найбільш об’ємної фази вивержень, і лавами наступної, менш об’ємної фази вивержень, є прошарок опадів з Ir-аномалією [10]. Це не рівень юридичного формулювання «beyond reasonable doubt» («поза всяким розумним сумнівом»), але досить ймовірно, що об’ємний вулканізм, що дворазово перевершує сучасну вулканічну активність, завершився буквально за тисячі, можливо, десятки тисяч років до падіння Чіксулубського метеорита.

На малюнках 1B і 1C наведено осадовий розріз Хелл-Крик, що відноситься до самого пізнього крейди і найбільш багатий залишками динозаврів в порівнянні з іншими осадовими відкладеннями цього віку в будь-якій іншій частині планети. На малюнку 1V жирними стрілками показано ділянки знахідок кісткових залишків альваресзаврів (4 зразки), а на малюнку 1С — трицератопсів (24 зразки). Більш давні кістки знаходяться внизу розрізу, а більш молоді — вгорі. Кісткових залишків трицератопсів, включаючи ті, які виявлені ще нижче і на малюнок 1С не потрапили, виявилося достатньо для того, щоб простежити їхні еволюційні зміни в часі [8]. Нарешті, на малюнку 1V стрілкою показана знахідка рогу цератопса, знайденого всього лише на 13 см нижче іридієвої аномалії, що маркує час падіння Чіксулубського метеорита.

В осадового розрізу формації Хелл-Крик є два часові маркери: верхній — іридієва аномалія і, в 30 метрах нижче, — прошарок, що містить вулканічний попіл локального виверження. За даними 40Ar/39Ar-датування, між ними 300 тис. років. Тобто в середньому кожні 10 см осадових порід накопичувалися за тисячу років. Зрозуміло, що піски накопичувалися швидше, а глини — повільніше, але, так чи інакше, наймолодший зі знайдених у цьому розрізі динозавр помер приблизно за тисячу років до того, як впав метеорит.

На малюнках 1A, B, C є ще палеомагнітні шкали. C30n означає, що в цей час магнітна полярність була така ж, як сьогодні, а C29r — що північний і південний магнітні полюси були розташовані навпаки. Межа зміни полюсів і в осадовому, і в вулканічному розрізах відповідають один одному, що дає додаткову можливість для кореляцій різнорідних відкладень на протилежних сторонах планети (опади формації Хелл-Крик і лави Деканських траппів).

З деякою часткою невизначеності (ауд 1-10 тис. років) можна нанести вулканічні виверження на осадовий розріз Хелл-Крик і навпаки. Якщо це зробити, то виявиться, що останній зі знайдених трицератопсів помер якраз під час найоб’ємнішого піку вулканічних вивержень. Останній альваресзавр пережив перший пік вулканізму і не дожив до другого — найоб’ємнішого. Цератопси, навпаки, пережили пік найбільш об’ємного вулканізму, але і наймолодший з них помер до того, як впав метеорит.

Нарешті, у формації Охо-Аламо (Ojo Alamo) в США була знайдена стегнова кістка аламозавра. Вік відкладень Охо-Аламо і самої кістки спірний. Джеймс Фассет, який знайшов кістку, — геолог у відставці Геологічної служби США, який усе своє життя присвятив вивченню дрібних відкладень на заході країни, — вважає їх палеоціновими [11, 12], з чим, щоправда, категорично не погоджується більшість інших фахівців