Zobaczyć ordowik i umrzeć

Mówiąc o masowym wymieraniu, w większości mamy na myśli katastrofę, która zlikwidowała dinozaury, czyli upadek asteroidy, meteoroidu czy innego ciała niebieskiego pod koniec kredy, 66 Ma (mln lat temu). Ci bardziej oczytani wiedzą, że było to jedynie jedno z pięciu masowych wymierań, mających miejsce w całej historii życia a uznanych przez naukowców. Znaczna mniejszość jest przy tym świadoma, że masowe wymierania to zjawiska naturalne, które co jakiś czas nawiedzają żywe organizmy. Jak na ironię właśnie wymieranie kredowe można uznać za wyjątek od reguły, jako, że o ile przyczyny pozostałych mają charakter „ziemski” i cykliczny, o tyle akurat to jest „kosmicznym” przypadkiem. W dodatku nie było ono wcale największe – tu palmę pierwszeństwa dzierży „matka wszystkich wymierań” z końca permu, 252-245 Ma.

Dużo mniej znane i popularne jest I masowe wymieranie -  wymieranie ordowickie, datowane na mniej więcej 445 Ma. A szkoda, bo nie dość, że jest pierwsze i ma własną nazwę LOME (Late Ordovician Mass Extinction), to pod względem rozmiaru zajmuje drugie miejsce, eliminując ponad 100 rodzin, czyli 49-60% rodzajów, co się przekłada na 85% gatunków istot żywych (oczywiście morskich i nie wzbudzających u nas empatii)…

GREEN HOUSE - CIEPLARNIANA SIELANKA
Na początek zerknijmy na mapę Ziemi z tego okresu. Przede wszystkim musimy na nią spojrzeć od strony bieguna południowego, bowiem tam, na południe od niego rozciągał się superkontynent Gondwana, stworzony przez obecną Afrykę, Półwysep Arabski, Indie, Amazonię, kawałek Australii  i Antarktyki. Sam biegun leżał tuż u wybrzeży tego kontynentu, wśród mniejszych wysp. Niedaleko na północ od bieguna była Bałtyka, dalej Syberia a na północny zachód Laurentia (część obecnych Stanów Zjednoczonych), oddzielona oceanem Japetus. Od wschodu, za oceanem Ran znajdował się archipelag wysp, w których mało kto rozpozna dzisiejsze Chiny. Tak to wyglądało, dodajmy, we wczesnym ordowiku, czyli „piętrze” o nazwie tremadok, ok. 480 Ma. 30 milionów lat później w późnym ordowiku (kat) zmieniło się niewiele. Gondwana przemieściła się, poziom wód opadł i biegun południowy znalazł się na stałym lądzie, Chiny „spłynęły” nieco w dół a pomiędzy Gondwanę a Laurentię i Bałtykę wdarła się Avalonia, spychając ocean Japetus na północ i tworząc nowy – Reik. 

Gondwana we wczesnym i późnym ordowiku.
© L.Robin, M.Cocks, T.Torsvik

Klimat przez dużą część ordowiku był ciepły, średnia temperatura wynosiła 16oC (obecnie 14oC), tlen stanowił 13,5 % (obecnie ok. 21%), ale za to dwutlenku węgla było ile dusza zapragnie. Jego stężenie na początku ordowiku wynosiło 7000 ppm(!) podczas gdy obecnie jest to… 410 ppm, i już mówi się o sytuacji krytycznej. Dla jasności – skrót ppm to „parts per milion”, czyli jedna cząsteczka czegoś tam na milion czegoś innego. A dużo dwutlenku węgla = cieplarnia. Przy stężeniu z ordowiku była to naprawdę duża cieplarnia… 

Ekosystem ordowiku. Największe stworzenie to jeden z ordowickich łodzikowatych,
zapewne z rodzaju Cameroceras. Mógł osiągać nawet 11 metrów długości.

Nic dziwnego, że takie warunki sprzyjały rozwojowi życia. Pomiędzy 497 a 467 Ma miało miejsce tzw. „Wielkie Zdarzenie Biodywersyfikacyjne Ordowiku” (GOBE - Great Ordovician Biodiversification Event) czyli wzrost różnicowania się rodzin, rodzajów i gatunków zwierząt, poprzedzony kilkoma mniejszymi epizodami wymierań na przełomie kambru i ordowiku. Ilość rzędów zwierząt morskich podwoiła się a ilość rodzin potroiła. Pojawiły się nowe łańcuchy pokarmowe a plankton skolonizował oceany. Śmiało na nowe tereny wkraczały trylobity i głowonogi. Ocenia się, że GOBE było jednym z największych takich zjawisk w historii życia.

ICE HOUSE - PIERWSZA FAZA WYMIERANIA

A potem Gondwana pokryła się lodowcem. Ślady tego zdarzenia znajdujemy dzisiaj w jej „byłych” częściach: Afryce, Indiach, krajach arabskich – miejscach, które nikt o lód nie podejrzewa. Są tam i ślady przerytej przez przemieszczający się lodowiec ziemi, są gleby polodowcowe, są wreszcie „drop stones” czyli kamienie naniesione wraz z lodem z zupełnie innych rejonów.

Stało się to mniej więcej na przełomie wieków kat i hirnant ok. 445 Ma. Ziemia zmieniła się z cieplarni („green house”) w lodówkę („ice house”) w bardzo szybkim tempie.

Obszar zlodowacenia Gondwany.

Jedną z przyczyn był spadek stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla z 7000 do 4400 ppm, a początek tego spadania szacuje się na środkowy (darriwil - 467,1 Ma) a nawet wczesny ordowik (flo - 477,7 Ma). Co było powodem? I czy był tylko jeden (szczerze to NIGDY nie jest tylko jeden...)? 

Nie wiadomo na pewno, chociaż istnieje szereg mniej lub bardziej wiarygodnych hipotez, poszlak i teorii. Wśród nich najczęściej wymienia się erozję i wietrzenie skał, które w trakcie tego procesu „więziły” atmosferyczny dwutlenek węgla. Może to być związane z wypiętrzaniem gór na wschodnim wybrzeżu Laurentii (orogeneza takońska, z apogeum na przełomie ordowiku i syluru) a także dużymi fluktuacjami poziomu morza w ordowiku, prowadzącymi do odsłaniania połaci lądu narażonych na wietrzenie. Impulsem mogło być też powstanie tzw. „wielkiej prowincji magmatycznej” (large igneous province - LIP) – olbrzymiego zespołu aktywnych wulkanów, produkujących gigantyczne ilości zalewającej okolicę lawy a w rezultacie szybko wietrzejącego bazaltu, zastępującego granit. Taka „prowincja” początkowo na krótko zwiększyłaby zawartość CO2 w atmosferze i spowodowała wzrost temperatury, a mamy dowody na coś takiego w wieku kat, tuż przed głównymi zlodowaceniami. Istnienie „katyjskiej” prowincji magmatycznej w późnym ordowiku nie zostało jednak udowodnione. Wielu naukowców uważa mimo to, że właśnie wulkanizm, także w formie LIP, był „zapalnikiem”, który doprowadził do zlodowaceń a w konsekwencji wymierania ordowickiego. Są jednak poszlaki, że wręcz odwrotnie -  aktywność wulkaniczna w tym czasie zmniejszyła się, co zmniejszyło „eksport” CO2 do atmosfery. To pokazuje, jak skomplikowanymi ścieżkami docieramy do wiedzy. :) Tym bardziej, że są też inni kandydaci na „reduktorów” dwutlenku węgla w atmosferze:

Przykłady erozji i wietrzenia skał. © Stan Zurek & erg21

- deponowanie organicznego węgla na dnach oceanów i w osadach morskich przez fotosyntetyzujący plankton np.

- radiacja (różnicowanie gatunkowe) i rozrost roślin lądowych, nienaczyniowych (czyli tych bez liści, łodyg i korzeni), „zużywających” dwutlenek węgla w procesie fotosyntezy

- wybuch pobliskiej supernowej i rozbłysk promieniowania gamma (GRB) w odległości 2 kiloparseków (ok. 6500 lat świetlnych) od nas. Już 10 sekund ekspozycji na to promieniowanie mogło wywołać deszcze kwasu azotowego, a zwiększona w ten sposób ilość azotu spowodować rozrost fotosyntetyzujących roślin. To z kolei spowodowałoby zwiększony pobór dwutlenku węgla. GRB zniszczyłoby też warstwę ozonową – a stanowi ona (ozon) jeden z gazów cieplarnianych.

Są też teorie i hipotezy, uniezależniające zlodowacenie od spadku poziomu dwutlenku węgla i szukające przyczyn gdzie indziej:

- meteoryt ordowicki – deszcz odłamków macierzystego chondrytu (czyli rodzaju meteoroidu kamiennego), powodujący znaczne zapylenie atmosfery i zmniejszający dopływ światła słonecznego. Notowana jest duża ilość takich meteorytów datowanych na ok. 467 Ma.

- meteoryt Deniquilin, który miał spaść we wschodniej Gondwanie (obecnie Australia) 514-427 Ma, pozostawiając wielopierścieniowy krater o średnicy nawet 520 km i wywołując „zimę nuklearną”. Jest to niepotwierdzona hipoteza z 2023 roku.

Potencjalna lokalizacja krateru Deniquilin. © Zhen Qiu et al

- pierścień gruzu z rozpadu olbrzymiego chondrytu, który „musnął Ziemię”, uformowany wokół naszej planety i stopniowo na nią spadający, w ciągu ok. 40 milionów lat! Jest to hipoteza z 2024 roku.

Jak by nie było na przełomie wieków kat/hirnant jeden, lub kumulacja kilku z tych powodów  doprowadziły do pokrycia lodem olbrzymich połaci Gondwany. Tam, gdzie nie dotarł główny lądolód często docierały lodowe jęzory – loby – wchodzące do oceanów. Istnieją jednak poszlaki, iż to zlodowacenie poprzedzał szereg mniejszych. 

Co najmniej trzy z nich miały miejsce na początku późnego ordowiku w wieku sandb a być może już pod koniec środkowego ordowiku w wieku darriwil (451-461 Ma). Świadczy o tym nietypowy dla warunków „szklarniowych” rozkład siedlisk graptolitów z gatunku Nemacanthus gracilis. Już w kacie (chodzi o wiek geologiczny, a nie pana z toporem) doszło do kolejnych sześciu epizodów lodowych, a po ostatnim z nich, tuż przed zlodowaceniem „właściwym” miał miejsce krótki etap ocieplenia i rozrost graptolitów z gatunku Paraorthograptus pacificus. Wczesne zlodowacenia katyjskie budzą jednak kontrowersje wśród badaczy i nie są przez wielu z nich uznawane za udowodnione. Pewne jest to największe, które rozpoczęło 445 milionów lat temu wymieranie ordowickie. A właściwie jego pierwszy etap, znany jako LOMEI-1 (Late Ordovician Mass Extinction Impulse - 1).

Dla organizmów pławiących się w cieplarnianym dotąd klimacie spadek temperatury (a szacuje się, że w oceanach mogło to być nawet 10oC mniej) był śmiertelnym szokiem. Łatwo zrozumieją to opiekunowie psów, którzy w mroźny poranek muszą wyjść spod ciepłej kołdry żeby wysikać pupila na zewnątrz. Reakcja organizmu (opiekuna) jest wówczas oczywista. Wymieramy!

Ramienionogi z rodzaju Rhynchotrema. © Wilson44691

I tak też było z biednymi ramienionogami i mszywiołami, które może nie wzbudzają szczególnej empatii i mało się kojarzą ze zwierzątkami, ale nimi są, proszę mi wierzyć na słowo. Zniknęła 1/3 rodzin tych stworzeń (co oznacza wielokrotnie więcej rodzajów i gatunków). Oberwały też wszystkie inne grupy: konodonty, szkarłupnie, małże, trylobity, graptolity i koralowce. W zasadzie był to koniec dużych raf koralowych i gigantycznych często łodzików, polujących wśród nich. 

Wiązanie przez lód olbrzymich mas wody spowodowało spadek poziomu oceanów (być może nawet o 100 metrów!), co zdewastowało siedliska organizmów przybrzeżnych. 

Co zaskakujące mimo potwornych strat ekosystem wraz z łańcuchami pokarmowymi się nie zawalił. Ba – pojawiły się gatunki, „umiejące w zimną wodę”!

Hirnantia. © fossiilid.info

Fauna hirnancka, złożona głównie z ramienionogów z rodzaju, nomen omen, Hirnantia świetnie się czuła i rozrastała wzdłuż wybrzeży zimnych mórz końca ordowiku. Osiągnęła ona taki zasięg i opanowała takie obszary, że jej obecność/nieobecność w warstwach geologicznych jest dowodem na zlodowacenie bądź interglacjał.

FAZA DRUGA
Drugi impuls wymierania (LOMEI-2) miał miejsce po ustąpieniu lodowca pod koniec hirnantu i na początku następnej po ordowiku epoki – syluru. Stopniowe odtwarzanie zawartości dwutlenku węgla ociepliło klimat, ale na większości płytkich mórz nastąpił gwałtowny rozkwit cyjanobakterii - sinic. Doprowadziło to do spadku stężenia tlenu w wodzie, czyli anoksji oraz wzrostu stężenia siarkowodoru (euksinii). Obydwa zjawiska najczęściej występują wspólnie – to pierwsze w warstwach powierzchniowych a to drugie w dennych. Co ciekawe, niektórzy badacze uważają, że anoksja występowała już w trakcie pierwszego impulsu wymierania, co jednak jest dość kontrowersyjną tezą. Są też tacy, którzy uważają, że za masowe wymieranie w drugiej fazie odpowiada raczej euksinia niż brak tlenu. Do anoksji mogły też doprowadzić inne czynniki – są dowody na to, że aktywność wulkaniczna również miała tu coś do powiedzenia.

Co przeżyło LOMEI-1 w dużej części nie przetrwało LOMEI-2. Zniknęła na przykład dopiero co powstała fauna hirnancka. Na ironię zakrawa fakt, że już w pierwszym impulsie wyginęła tzw. fauna Foliomena, czyli rodzaj ramienionogów dobrze się czujących w warunkach braku tlenu. 

Agnostyd Itagnostus interstrictus. 8 mm brzydoty
© Parent Gery

W obu impulsach mocno oberwały trylobity, tracąc 50% rodzin i 70% rodzajów. Całkowitej zagładzie uległy agnostydy, małe i brzydkie, „zmodyfikowane” trylobity z głowami tak dużymi jak odwłoki. Ze zróżnicowanego nieprzyzwoicie rzędu Asaphida został raptem jeden rodzaj – Raphiophorus. 

Co ciekawe świetnie miały się gąbki, które po ordowickim wymieraniu bezceremonialnie zajmowały zwolnione nisze ekologiczne i kolonizowały także anoksyczne strefy mórz, tworząc warunki dla późniejszego powrotu innej fauny. 

Część badaczy sugerowała istnienie trzeciego impulsu anoksycznego już w sylurze (ruddan), ale wydaje się, że ówczesna anoksja jest przedłużeniem tej z hirnantu.

Raphiophorus - ocaleniec z ordowickiej zagłady.

Po wymieraniu ordowickim środowiska biologiczne w sylurze były początkowo uboższe i mało zróżnicowane, jednak błyskawicznie zaczęły dochodzić do siebie, odbudowując populacje i różnicując się. Oczywiście nie wszyscy mieli tyle szczęścia – fauna typu kambryjskiego praktycznie zniknęła, ale w zamian pojawiały się nowe rodzaje i gatunki. W południowych Chinach, w płytkich morzach odrodzenie nastąpiło wręcz natychmiast. Długofalowe skutki tego kataklizmu okazały się mniej spektakularne, niż można się było spodziewać a rekonwalescencja szybka i skuteczna.

A MOŻE TYLKO JEDEN IMPULS?
W 2019 roku opublikowano artykuł autorstwa Guangxu Wanga, Renbin Zhana i Ian G. Percivala, w którym analizują oni zapisy kopalne fauny z tego okresu i opierając się na nierównomiernościach poniesionych przez nią strat krytykują „dwufazowy” model wymierania, oferując koncepcję jednego impulsu. Według nich zaraz po LOMEI-1 nastąpiła faza długotrwałej rekonwalescencji. Faunę, która wówczas pojawiła się/przetrwała podzielili na trzy grupy. W pierwszym etapie  zdrowienia (późny kat - wczesny hirnant) występował typ TBF-1. Niektóre rzędy stworzeń, np. trylobity zdominowały mało zróżnicowane, pojedyncze rodzaje a niektóre, np. koralowce, niemal zniknęły. Tymczasem ramienionogi, akritarchy i część graptolitów dostała ewolucyjnego „kopa” i radiacji adaptacyjnej. 

Koralowiec czteropromienny z gatunku Streptelasma divaricans. © Wilson 44691

Drugi etap (środkowy hirnant) obejmował faunę tuż polodowcową TBF-2 – wymarła wtedy część fauny Hirnant, zaś trylobity właściwie przetrwały w niezmienionym składzie. Koralowce czteropromienne (Rugosa) w słodkich morzach południowych Chin zwiększyły ilość gatunków z 1 do 20! Podobnie było z gąbkami, które liczyły teraz 75 gatunków. Zmiany składu fauny morskiej i brzegowej były dramatyczne, ale nie miały cech wymierania.

W trzecim etapie fauna TBF-3 poniosła straty głównie w wyniku obniżenia poziomu oceanu i cofnięcia brzegów, a ich różnicowanie (poza koralowcami) było znacznie wolniejsze. Fauna ta dość płynnie „weszła” w sylur, zachowując potem stałe tempo rozwoju i obejmując pojawiające się stopniowo nowe gatunki i rodzaje. Konkludując autorzy napisali:

Uważamy EOME (to samo co LOME, tylko End na początku zamiast Late – tak piszą autorzy artykułu) za, najprawdopodobniej, masowe wymieranie jednoimpulsowe, po którym nastąpiło długotrwałe, stopniowe ożywienie, przerywane przez sporadyczne wstrząsy klimatyczne w całym okresie hirnanckim. Wraz z ogólną poprawą warunków fizycznych zbiegająca się w przybliżeniu z początkiem syluru nastąpiło całkowite odrodzenie biotyczne fauny, która była zróżnicowana i dystrybuowana na całym świecie.

Do następnego wymierania.

Wybrana literatura:

Isozaki, Y.; Servais, T. (8 December 2017). The Hirnantian (Late Ordovician) and end-Guadalupian (Middle Permian) mass-extinction events compared. Lethaia. 51 (2): 173–186. doi:10.1111/let.12252.

Jia-Y., Rong; X., Chen; H., David A. T. (2 January 2007). The latest Ordovician Hirnantia Fauna (Brachiopoda) in time and space. Lethaia. 35 (3): 231–249. doi:10.1111/j.1502-3931.2002.tb00081.x

Jia-Y., Rong; H., David A. T. (31 January 2000). Brachiopod survival and recovery from the latest Ordovician mass extinctions in South China. Geological Journal. 34 (4): 321–348. doi:10.1002/(SICI)1099-1034(199911/12)34:4<321::AID-GJ809>3.0.CO;2-I

Liu, M.; Chen, D.; Jiang, L.; Stockey, R. G.; Aseal, D.; Zhang, B.; Liu, K.; Yang, X.; Yan, D.; Planavsky, N. (15 July 2022). Oceanic anoxia and extinction in the latest Ordovician. Earth and Planetary Science Letters. 588. Bibcode:2022E&PSL.58817553L. doi:10.1016/j.epsl.2022.117553. S2CID 248681972

Rodríguez-López, L.; Cardenas, R.; González-Rodríguez, L.; Guimarais, M.; Horvath, J. (24 January 2021). Influence of a galactic gamma ray burst on ocean plankton. Astronomical Notes. 342 (1–2): 45–48. arXiv:2011.08433. Bibcode:2021AN....342...45R. doi:10.1002/asna.202113878. S2CID 226975864

Jones, D., Martini, A. M., Fike, D. A., Kaiho K. A volcanic trigger for the Late Ordovician massextinction? Mercury datafrom south China and Laurentia. Geology (2017) 45 (7): 631–634. doi.org/10.1130/G38940.1

Wang, G.; Zhan, R.; Percival, I. G. (May 2019). The end-Ordovician mass extinction: A single-pulse event?. Earth-Science Reviews. 192: 15–33. Bibcode:2019ESRv..192...15W. doi:10.1016/j.earscirev.2019.01.023. ISSN 0012-8252. S2CID 134266940