sobota, 16. marca 2013

Smrť v Jurskom parku


Príbeh veľkého vymierania v jurskom období

Ak ste niekedy mali doma akvárium s rybičkami, určite veľmi dobre viete, aké dôležité pre tento domáci vodný zverinec je udržanie optimálnej úrovne kyslíka vo vode. Skúsili ste niekedy vypnúť vodnú pumpičku, ktorá zabezpečuje nielen samotné okysličovanie, ale aj rozvod na kyslík bohatej vody po celej nádržke? Síce vám to nedoporučujem, ale ak sa k tomuto kroku predsa len odhodláte, do 24 hodín vám nezostane nič iné, len sa poobzerať po novom akváriovom osadenstve. Aj bez tohto nákladného experimentu s úbohými rybkami, musí byť asi každému rozumnému človeku jasné, že úroveň obsahu rozpusteného kyslíka vo vode je pre život vo vodnom prostredí skutočne kľúčová. A platí to aj pre morské prostredie. Akonáhle obsah kyslíka klesne pod kritickú úroveň a dôjde k tzv. hypoxii, všetky vodné živočíchy (s výnimkou tých, ktoré dýchajú atmosférický kyslík), od najmenších červov až po žraloky, začnú bojovať o svoj život a tie viac citlivé na nízky obsah kyslíka začnú hynúť alebo odumierať. Aj bez hĺbavejšieho premýšľania si vieme asi všetci predstaviť, čo by sa stalo, ak by množstvo kyslíka kleslo na nulu (anoxia). Žiaľ, rozsiahle a mŕtve anoxické zóny v oceánoch a moriach poznáme aj z dnešnej doby. Dobrým príkladom sú pobrežné oblasti Mexického zálivu alebo Severného, Baltského alebo Čierneho mora (Obr. 2-3). 


Obr. 1: Mŕtve zóny v pobrežných oblastiach sú často krát spôsobené premnožením morských rias a siníc a ich následným odumieraním; príklad podobného premnoženia z oblasti La Jolla neďaleko San Diega v Kalifornii (Zdroj

A prečo o tom hovoríme? Nedávno bol publikovaný článok, ktorý prináša zaujímavý pohľad na doposiaľ málo známy rozsah dôsledkov globálneho otepľovania v období spodnej jury. V priebehu jurského stupňa Toark (pred 183 – 174 milión rokmi) došlo k významnému otepľovaniu svetových oceánov, ktoré bolo doprevádzané vznikom rozsiahlych hypoxických anoxických zón a masovým vymieraním morského života na celej planéte. Toto obdobie, podobne ako aj o niečo neskoršia perióda na prelome paleocénu a eocénu (PETM) v treťohorách, by pre nás malo byť varovným príkladom toho, ako súčasné a veľmi rýchle otepľovanie planéty môže morský život priviesť až na pokraj úplného kolapsu.  


Obr. 2: Červené krúžky na mape znázorňujú mŕtve zóny so známou veľkosťou, naopak čierne body predstavujú zóny, o veľkosti ktorých nemáme žiadne bližšie informácie (Zdroj)  


Obr. 3: Plošný rozsah zóny hypoxie a anoxie v Čiernom mori neďaleko ústia rieky Dunaj v období 1973 až 1990 (Zdroj)  


Vývoj klímy v druhohorách
Ešte predtým, ako sa dostaneme k popisu samotnej udalosti počas spodnojurskej periódy, nie je na škodu si pripomenúť celkový obraz globálnych klimatických pomerov a ich zmien počas jurského, ale aj celého druhohorného obdobia (250 – 65 mil. rokov).

Obdobie jury (200 – 145 mil. rokov) bolo spolu so skorším obdobím triasu (250 – 200 mil. rokov) a neskoršou kriedou (145 – 65 mil. rokov) súčasťou druhohorného obdobia (Mezozoikum), ktoré sa v priemere vyznačovalo veľmi teplou klímou. Globálne teploty (GT), či už na pevninách alebo v oceánoch, boli o 7 až 12 °C vyššie ako v súčasnosti. Takto vysoké GT boli výsledkom nielen odlišnej geografie oceánov a pevnín, ale predovšetkým vysokej koncentrácie CO2 v atmosfére – počas väčšiny mezozoika presahovala hodnotu 1500 ppm, a na konci triasu a v prvej polovici kriedy dokonca 2000 ppm (dnešná hodnota je 392 ppm). Na počiatku druhohôr existoval rozsiahly superkontinent Pangea, ktorý sa v priebehu triasu a jury začal rozpadať na menšie pevninské fragmenty, aby do konca kriedy nadobudlo rozloženie pevnín takmer dnešných kontúr. 

Tento vývoj zásadne ovplyvnil charakter globálnej a regionálnej klímy. Vzhľadom na prítomnosť jedinej celistvej pevninskej masy, klíma v triase bola nielen veľmi teplá, ale aj mimoriadne suchá (GT bola vyššia o ~ 7 °C ako dnes, priemerné teplotné maximá vo vnútrozemí Pangei presahovali vysoko 45 °C). Vlhké enklávy vznikali len pri pobreží oceánu, ktoré bolo pravidelne „zalievané“ výdatnými monzúnovými dažďami. Pozvoľný rozpad superkontinentu, ktorý začal už v samotnom triase a zrýchlil svoje tempo v nasledujúcom období druhohôr viedol k tomu, že podnebie v jure bolo o niečo vlhšie, no stále rovnako teplé ako v triase. Na perifériách Pangei začali vznikal rozsiahle zálivy a vnútorné alebo do pevniny hlboko vrezané okrajové moria (najväčšie z nich bolo Tethys, Obr. 4). Nová konfigurácia pevniny síce oslabila globálne monzúnové prúdenie, no na druhú stranu priviedla oceánickú vlhkosť hlbšie do vnútrozemia Pangei (pozn.: v tomto čase už Pangea pozostávala z dvoch kontinentov, na severe ležiacej Laurázie a južnejšej Gondwany). 


Obr. 4: Geografické rozloženie pevnín a oceánov v priebehu jury; 200-145 mil. rokov (Zdroj)  

Druhohorný „hothouse“
Tektonické pohyby litosférických dosiek, sprevádzané rozsiahlym a veľmi intenzívnym vulkanizmom, dosiahli svoj vrchol v poslednom období mezozoika, v kriede. Laurázia sa posunula viac na sever, medzi americkým, euroázijským a africkým kontinentom sa definitívne otvoril Atlantický oceán a od Gondwany sa začala v „horúčkovitom“ tempe vzďaľovať India. Na rozsiahlych plochách pevnín sa postupne rozlievalo more a vulkanizmus tlačil koncentrácie atmosférického CO2 do stále vyšších úrovní. Len na margo pripomíname, že vulkanizmus dosahoval maximum najmä v období medzi 135 až 115 mil. rokmi, čo celkom dobre korešponduje s obdobím maximálnych koncentrácií atmosférického CO2. Zvetrávanie hornín na pevninách v dôsledku ich malej plochy výrazne pokleslo, čím sa znížil záchyt CO2 z atmosféry. 

Toto všetko prispelo k tomu, že v období kriedy, pred ~ 90 mil. rokmi, dosiahla GT svoje druhohorné teplotné maximum (vyššia o ~ 12 °C v porovnaní so súčasnosťou).  Ako ale vidieť, zhoda v načasovaní vrcholu koncentrácií CO2 s mezozoickým teplotným maximom je veľkým otáznikom paleoklimatologického výskumu ešte aj dnes. Rovnako otáznym zostáva aj dôkaz existencie významnejšieho zaľadnenia v priebehu celého mezozoika. Berúc do úvahy všetky relevantné indikátory súdobej klímy zdá sa, že druhohorné polárne oblasti boli veľmi pravdepodobne bez trvalej prítomnosti rozsiahlejších ľadovcov, aj keď výrazná sezónnosť v teplote vzduchu tu existovať musela. Naznačuje to výskum zo Sibíri a Antarktídy, ktorých vnútrozemia pripomínali z pohľadu režimu počasia dnešné kontinentálne oblasti miernych šírok (napr.: východnú Európu). Vyskytovali sa tu tak horúce letá ako aj chladné zimy, a to aj so snehom. Priemerná ročná teplota však bola vyššia. Dôkazom toho je prítomnosť fosílií subtropickej fauny a flóry.


Obr. 5: Umelecká predstava jurskej krajiny (Zdroj

Jurské hypertermálne obdobie v Toarku
Ako vidieť z textu vyššie, jura bola obdobím, ktoré sa nijako zvlášť nevymykalo z druhohorného priemeru. Podnebie na rozsiahlych plochách planéty, a to aj v polárnych šírkach, bolo veľmi teplé a prevažne aj dosť vlhké. S výnimkou strednej jury, bola GT v priemere o minimálne 5-6 °C vyššia ako dnes. Okrem toho však dochádzalo aj k udalostiam, kedy sa GT posunula ešte o „kúsok“ vyššie. Jednou z týchto udalostí bol rýchly nárast GT v období najvrchnejšieho stupňa spodnej jury (Toark) pred približne 183 milión rokmi, ktoré nápadne pripomína súčasné globálne otepľovanie. Priemerné teploty v subtropických oblastiach vzrástli o 2-3,5 °C a o 6-8 °C v polárnych šírkach. Zdajú sa vám tieto hodnoty nejako povedomé? Niet divu. Podobné cifry ste si zrejme všimli v poslednej správe IPCC panelu o klimatickej zmene. V prípade, že ľudstvo bude pokračovať v 21. storočí vo vývoji ako doposiaľ (podľa scenára „business as usual“), odhady rastu teploty do konca tohoto storočia sa budú pohybovať vo veľmi podobných intervaloch ako počas Toarku. Podobnosť sa však skrýva aj niečom inom. Zdá sa totiž, že otepľovanie v spodnej jure vyvolala tá istá príčina, ktorá stojí nielen za súčasnou klimatickou zmenou, ale napríklad aj za udalosťou PETM spred 55 milión rokmi. Ako inak, je ňou rýchlo rastúca koncentrácia CO2 v zemskej atmosfére.

Ako je to s kyslíkom v morskej vode?
Teraz si na chvíľku odskočíme k problematike vzniku mŕtvych zón v oceánoch. Molekulárny kyslík, ktorý morská fauna a flóra nevyhnutne potrebuje pre svoju existenciu, sa do morskej vody dostáva dvoma hlavnými spôsobmi. Jednak je to pomocou fotosyntézy vodných rastlín, morských rias a fytoplanktónu, alebo prostredníctvom miešania morskej vody a vzduchu na hladine oceánov (výrazne tomuto napomáha najmä vlnenie). Celkové množstvo rozpusteného kyslíka vo vode však nezávisí len od intenzity fotosystézy či sily morského príboja, ale ako vidieť na Obr. 6 a 7, aj od teploty vody. V teplejšej vode sa ho rozpustí menej ako v chladnej. A keďže teplota morskej vody, až na menšie odchýlky spôsobené morskými prúdmi, všeobecne klesá od rovníka (obratníkov) smerom k pólom, obrátená zonálnosť existuje v množstve rozpusteného kyslíka (v mol na liter vody). V najteplejší oblastiach oceánov tak koncentrácia kyslíka klesá niekedy až pod 4 ml/l, zatiaľ čo v polárnych oblastiach siaha takmer až k 10 ml/l (Obr. 7). 


Obr. 6: Globálne rozloženie priemernej ročnej teploty morskej vody do hĺbky 10 metrov v roku 2009 (Zdroj: NOAA) 



Obr. 7: Globálne rozloženie priemerného ročného množstva rozpusteného kyslíka [v mol/l] do hĺbky 10 metrov v roku 2009 (Zdroj: NOAA)

Vo vertikálnom profile je priebeh množstva kyslíka vo vode trochu komplikovanejší a závisí nielen od teploty, ale aj biologickej aktivity. V povrchových vrstvách oceánov dosahuje spravidla maximum a do hĺbky približne 1000 metrov klesá na svoje absolútne minimum, potom opäť stúpa a pri dne dosahuje druhotné maximum. V hĺbke okolo 1000 metrov sa v závislosti od podmienok často krát vytvárajú známe „anoxické“ (mŕtve) zóny s takmer nulovou koncentráciou kyslíka. Je to výsledok metabolizmu aeróbnych baktérií, ktoré sa v tejto hĺbke koncentrujú vo väčších množstvách, živia sa pritom biologickým odpadom padajúcim z povrchových vrstiev oceánu dole ku dnu. Baktérie pre svoj metabolizmus potrebujú kyslík, ktorý sa v týchto vrstvách dopĺňa len veľmi pomaly, a to z vody klesajúcej z povrchu oceánu. K vytváraniu mŕtvych zón však v poslednej dobe významne prispieva najmä človek, a to tým, že znečisťuje pobrežné oblasti chemickými látkami a nutrientmi pochádzajúcimi napríklad z poľnohospodárstva alebo miestnej kanalizácie. Tieto látky stimulujú rast siníc, morských rias a fytoplanktónu v povrchových pobrežných vodách. Po odumretí klesajú ich zvyšky do hlbších vrstiev, kde sú potravou pre aeróbne baktérie. Tie v podmienkach prebytku organického „materiálu“ spotrebovávajú veľké množstvá kyslíka až na úroveň, kedy dochádza k hypoxii, či dokonca až k anoxii. Príkladom najznámejšej mŕtvej zóny je anoxická zóna v Mexickom zálive, ktorý je výdatne živený nutrientmi rieky Mississippi (pravidelne dosahuje rozlohu viac ako 10 tisíc km2).     

Globálne otepľovanie a anoxické zóny v spodnej jure
Na základe nedávno zverejneného výskumu fosílnych kolónií bentických organizmov (organizmy žijúce na morskom dne – kôrovce, červy, atď.) a ich druhovej rozmanitosti v spodnojurských čiernych bridliciach z rôznych lokalít na Zemi, autori poukázali na existenciu rozsiahlych anoxických zón v časovom intervale s dĺžkou asi 900 tisíc rokov v období Toarku (Obr. 8). Skúmané súvrstvia tmavých bridlíc boli nielen veľmi chudobné na akékoľvek fosílie organizmov, teda nielen bentity, ale obsahovali aj vysoký podiel organického uhlíka a sulfidu železnatého (FeS). To samo o sebe už niečo vypovedá o tom, že morský život musel byť v tomto období druhovo veľmi chudobný a podmienky v oceánoch boli blízke anoxickým. Zhodou okolností sa toto obdobie celkom dobre kryje s periódou, v ktorej nastali významné zmeny množstva atmosférického CO2 (nárast), nasledované rýchlym rastom GT a hladiny svetových oceánov (na základe rozsahu vytvárania morských sedimentov). Ako sa však uvádza aj v samotnej štúdii, vytváranie anoxických zón nebolo jedinou príčinou masového vymierania morského života, ktoré je zreteľné z geologických vrstiev. Tou druhou bola veľmi pravdepodobne acidifikácia (okysľovanie) morskej vody, spôsobená vysokými koncentráciami vzdušného CO2


Obr. 8: Porovnanie vývoja rekonštruovaných teplôt v toarkskom období (na základe izotopovej analýzy kyslíka δ18O) s vývojom úrovne hladiny oceánov a indexom nMDS2, ktorý odráža druhovú diverzitu bentických organizmov - záporné odchýlky reprezentujú pokles biodiverzity (Zdroj)

Kde ale vypátrať príčinu samotného otepľovania? Hľadanie nebolo síce jednoduché, no zdá sa, že iniciátorom bol opäť raz planetárny vulkanizmus, podobne ako počas udalosti PETM. Tesne pred samotným vymieraním došlo totiž v oblasti Antarktídy a južnej Afriky k mohutnému výronu bazaltových láv, ktorý navyše zrejme destabilizoval podmorské sedimenty klatrátov metánu. Následné unikanie uhlíka do atmosféry viedlo k zvýšeniu koncentrácií CO2 a k rýchlemu otepľovaniu planéty. Ako inak, následky na seba nenechali dlho čakať. Intenzívnejší hydrologický cyklus na pevninách (podmienený hlavne intenzívnejšími zrážkami) a častejšie extrémy počasia mohli viesť k rýchlejšiemu splachovaniu organických zvyškov suchozemskej biosféry do pobrežných oblastí okrajových morí a zálivov a stimulovať tak rýchlejší rast fytoplanktónu. Konečným výsledkom mohol byť vznik rozsiahlych anoxických zón v oceánoch, ktoré sa postupne rozšírili až ku dnu a zasiahli tak kolónie bentických organizmov. Všetko nahráva teórii, že koincidencia planetárneho vulkanizmu, otepľovania a rozširovania anoxických zón tak nakoniec viedla k následnému a veľmi rozsiahlemu vymieraniu života v morskom prostredí.

Aký plynie z tohto príbehu záver?
Ak už žiadny iný, tak minimálne ten, že máme k dispozícii ďalší zaujímavý analóg pre situáciu, v ktorej sa momentálne nachádzame aj my v súčasnosti. Táto štúdia prináša ďalší pozoruhodný pohľad na to, k akým závažným a pre nás niekedy až nepredstaviteľným dôsledkom môže iniciálne zvýšovanie množstva CO2 v atmosfére nakoniec viesť, nech už je jeho pôvod akýkoľvek. Niektoré následky súčasného otepľovania (napr. zvýšenie zrážok na pevninách, zväčšovanie rozsahu požiarov, atď.) sa môžu zdať na prvý pohľad podružné a nevýznamné, no ako nám ukazuje aj vyššie popísaný výskum, ich vzájomné pôsobenie môže viesť k extrémnym environmentálnym stresom, ktorým morské, ale aj suchozemské ekosystémy vzdorujú len s veľkými obtiažami, prípadne reagujú na ne úplnym kolapsom. Zostane po našej civilizácii v horninovom zázname rovnaký geologický otlačok ako po spodnojurskom globálnom otepľovaní spred 180 milión rokmi? Dúfajme, že nie. Ak áno, potom celkom určite nie sme hodní druhej a tretej časti latinského označenia nášho druhu (homo sapiens sapiens). Vrstvy čiernych bridlíc z toarkského obdobia by pre nás mali byť varovaním!  


Literatúra
Danise S, Twitchett RJ, Little CTS, Clémence M-E. 2013. The Impact of Global Warming and Anoxia on Marine Benthic Community Dynamics: an Example from the Toarcian (Early Jurassic). PLoS ONE 8(2): e56255. doi:10.1371/journal.pone.0056255.  
http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0056255
Hallam, A., 1985. A review of Mesozoic climates. J. Geol. Soc. Lond., 142, 433–445.
Herman, A.B., Spicer, R.A., 1997. New quantitative palaeoclimate data for the Late Cretaceous Arctic: Evidence for a warm polar ocean. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 128, 227–251.
Kutzbach, J.E., 1994. Idealized Pangean climates: Sensitivity to orbital change. In: Klein, G.D. (ed.), Pangea: Paleoclimate, Tectonics and Sedimentation during Accretion, Zenith and Breakup of a supercontinent. Geological Society of American Special Paper, 288, pp. 41–55.
Parrish, J.T., 1993. Climate of the supercontinent Pangea. J. Geol., 101, 215–233.
Price, G.D., 1999. The evidence and implications of polar-ice during the Mesozoic. Earth Sci. Rev., 48, 183–210.

Iné zdroje

5 komentárov:

  1. PARADA Jozo!! Skvele napsany a velmi komplexne pojaty clanek..Myslim, ze jen malokdo si uvedomuje nelinearitu a celkovou provazanost vsech dilcich procesu, ktere probihaji na nasi planete. Jak jsi spravne poznamenal, valna vetsina lidi to vidi velmi povrchne a nakonec si reknou: vzdyt to je vlastne dobre, ze se otepluje, alespon nebudeme mrznout..Bohuzel si neuvedomuji, ze homo sapiens sapiens neni jediny druh obyvajici tuto planetu..

    OdpovedaťOdstrániť
  2. Dakujem VOJTA!! Napisal si to velmi vystizne, mam chut pridat vsetko od tretej vety Tvojho komentu do clanku ;) Zial, ludia vnimaju vsetko povrchne a nedokazu postihnut vsetky dosledky svojho jednania ... este ze mame zaznamy z historie. Ale aj napriek tomu si vsak myslim, ci dokonca som presvedceny, ze aj keby sme mali vsetky potrebne informacie o tom, kam toto vsetko povedie, ludia si povedia, aj tak sa nic nedeje ... ved sme ludia, dokazeme sa adaptovat. Nuz, ano, dokazeme, otazka je, ci vsetci a aka "bolestiva" ta adaptacia bude (a nielen pre nas)!!

    OdpovedaťOdstrániť
  3. Hmm, nechcel by som byt az takym velkym pesimistom, ale ked to vezmeme do vsetkych dosledkov, mozno toto nase pocinanie prezijeme len "MY" (out of the Earth) a nejake bakterie ...

    OdpovedaťOdstrániť
  4. Ani je nechcem byt optimista - optimistickejsi scenar je ten, ze vyhynieme ovela skor, ako stiahneme vsetky druhy so sebou - mame na to vynikajuce predpoklady, pozri video v mojom poslednom blogu :-))

    ...

    OdpovedaťOdstrániť

Vysušovanie krajiny vs. silnejúci skleníkový efekt

Je príčinou klimatickej zmeny a globálneho otepľovania vysušovanie krajiny? V súvislosti s príčinami globálneho otepľovania a klimatick...