Zagłada dinozaurów. Co było gwoździem do trumny?

Ślady w skałach wskazują, że 66 mln lat temu miało miejsce wielkie wymieranie. Na całej Ziemi niższe warstwy osadów (zarówno morskich, jak i lądowych) są bogate w szkielety zwierząt, a wyższe – ubogie. Widać to także w Polsce – choćby w profilu w Bochotnicy w Górach Świętokrzyskich. Granica między tymi warstwami rozdziela dwa okresy geologiczne: kredę i paleogen (zarazem dwie ery geologiczne: mezozoiczną i kenozoiczną).

Szacuje się, że zniknęło wtedy ok. 60-75 proc. gatunków, w tym wszystkie nieptasie dinozaury czy pospolite w morzach i oceanach ery mezozoicznej głowonogi o zakręconych muszlach – amonity. Krótko – w geologicznej skali czasu – po wielkim wymieraniu ssaki urosły w siłę i rozmiar, z czasem zwiększyły im się także mózgi, dzięki czemu stały się władcami lądów.

To piąte w ciągu ostatniego pół miliarda lat wielkie wymieranie współwystępuje z dwiema katastrofami. Każda z nich mogła wywołać masowe ginięcie. W naszą planetę 66 mln lat temu uderzyła ogromna asteroida. Jednocześnie na płaskowyżu Dekan na Półwyspie Indyjskim wulkany wyrzucały lawę, gazy oraz sadzę. Dowodem na to są rozległe skały bazaltowe. Które z tych zjawisk było decydujące? A może znaczenie miały oba?

Jak asteroida mogła zabić wszystkie dinozaury

Zacznijmy od tego bardziej znanego zjawiska. Jeszcze niespełna pół wieku temu geolodzy nie przypuszczali, że na granicy kredy i paleogenu w Ziemię uderzyła potężna asteroida. Aż do chwili, gdy fizyk Luis Alvarez (laureat Nagrody Nobla z 1968 r. za eksperymenty na cząstkach elementarnych) i jego syn Walter (geolog) przebadali próbki skał z tego okresu. Znaleźli wówczas ciekawy chemiczny sygnał: około 30-krotny wzrost zawartości irydu w skałach. Ten pierwiastek z grupy metali rzadko występuje na Ziemi, a powszechnie – w asteroidach. W 1980 r. obaj uczeni opublikowali w „Science” wyniki badań i postawili hipotezę, że jakieś ciało uderzyło wtedy w Ziemię. To ono, ich zdaniem, doprowadziło do masowego wymierania.

Dziesięć lat później kanadyjski geolog Alan Hildebrand odkrył ślad po tej katastrofie. 150-kilometrowy krater, noszący nazwę jednego z meksykańskich miasteczek – Chicxulub – znajduje się w połowie na półwyspie Jukatan, a w połowie pod wodami Zatoki Meksykańskiej.

W Ziemię trafiła wówczas potężna, przynajmniej 10-kilometrowej średnicy, i nietypowa asteroida. Pochodziła z daleka – spoza orbity planety Jowisz, podczas gdy większość spadających na Ziemię asteroid to przybysze z pasa pomiędzy Jowiszem a Marsem. Składała się z węglanów – a nie, jak wiele innych, z żelaza i jego związków. W dodatku tam, gdzie spadła, znajdowały się złoża gipsu, czyli uwodnionego siarczanu wapnia.

Centrum zderzenia Ziemi z asteroidą znajdowało się w oceanie. Uwolniło energię, która została zamieniona w gorąco, światło i hałas. Wszystko w promieniu tysiąca kilometrów natychmiast zamieniło się w parę. To, co było dalej, doświadczyło huraganowych wiatrów i trzęsień ziemi. Ogrzanie powietrza wywołało pożary, które pustoszyły Ziemię. Sadza i pył, podniesione przez meteoryt, wzbiły się w powietrze. Zasłoniły promienie słoneczne i Ziemię z czasem opanowały ciemności oraz mrozy. Z nieba padały krople gorącego szkła, powstałe z upłynnionych skał i pyłu – a także, jeszcze długo, kwas siarkowy, po tym jak wyrzucona do atmosfery siarka połączyła się z wodą. Wiemy, że to wszystko stało się w okolicy czerwca, choć nie potrafimy precyzyjnie wskazać roku. Miesiąc udało się ustalić głównie dzięki roślinom, które zastygły na określonym przez paleobotaników etapie rozwoju.

Po mrozie, gdy pyły opadły, nadeszły upały – w atmosferze przybyło dwutlenku węgla, który napędzał efekt cieplarniany. Na planecie zapanowały warunki jak w szklarni. Ekosystemy w żaden sposób nie mogły wrócić do przeszłości.

Czy wulkany mogły wywołać wielkie wymieranie?

W te zjawiska nikt nie wątpi. Tak samo jak w to, że mniej więcej w tym samym czasie wybuchały ogromne wulkany. Ich śladem są grube na dwa kilometry skały bazaltowe w dzisiejszych Indiach i na archipelagu Seszele. Obecnie obejmują one obszar ponad 500 tys. km kw. Ich objętość szacuje się na milion kilometrów sześciennych. Duża ich część już zniknęła (zerodowana przez wiatr i wodę) – pierwotnie mogły pokrywać 1,5 mln km kw.

Kilka poprzednich wielkich wymierań, z których największe (tzw. permskie, rozdzielające perm i trias) miało miejsce 252 mln lat temu, na różne sposoby wiązano z gwałtownym wulkanizmem. Np. po wymieraniu permskim pozostały wielkie połacie skał wulkanicznych na Syberii. Erupcje miały wyrzucać związki węgla i siarki, które spowodowały złożone zmiany w klimacie Ziemi. To dlatego w kontekście wymierania kredowego uwagę naukowców przykuwa nie tylko asteroida, ale także skały bazaltowe na Dekanie. Erupcja na tym terenie zachodziła w czterech seriach. Zaczęła się ona około 300 tys. lat przed końcem kredy i trwała dalej w paleogenie. Kolejne serie erupcji były rozdzielone przez okresy względnego spokoju. Największy wybuch miał miejsce w czasie masowego wymierania.

W wyniku masowych erupcji i emisji dwutlenku węgla ok. 100 tys. lat przed wielkim wymieraniem doszło do ocieplenia klimatu o 3 st. C. Z kolei 70 tys. lat później temperatura spadła, do czego prawdopodobnie przyczyniły się aerozole siarki.

W 2023 r. magistrant geologii Alexander Cox i jego promotor, C. Brenhin Keller, obydwaj z Kolegium Dartmoutha w amerykańskim Hanover, opublikowali w „Science” wyniki interesującej komputerowej symulacji, w której poszukiwali najbardziej prawdopodobnych przyczyn zmian ilości węgla i siarki w przyrodzie bez czynienia żadnych geologicznych założeń. Próbowali więc dojść od znanych dzięki pomiarom skutków zjawiska do geologicznych przyczyn – które można by utożsamić z przyczynami wymierania. Dzięki temu w analizie można było uniknąć ludzkiej stronniczości wspierającej którąś z hipotez.

Komputery wygenerowały 300 tys. możliwych scenariuszy zachodzenia zmian ilości dwutlenku węgla i siarki w przyrodzie, a także związanych z tym zmian klimatu i ich konsekwencji dla życia, w ciągu miliona lat poprzedzających wymieranie i miliona lat następujących po nim. Potem porównały te wszystkie scenariusze z sobą i wyłoniły jeden.

Z przeprowadzonych obliczeń wynikało, że to same wulkany mogły wyrzucić takie ilości dwutlenku węgla i siarki do atmosfery, które powodowały zmiany klimatyczne. Do ich zajścia żaden meteoryt nie był już konieczny. Jego uderzenie musiało wywołać lokalną katastrofę, ale na globalne zmiany nie miało decydującego wpływu.

Siarka zwiększa kwasowość oceanów, a w górnych warstwach atmosfery jej związki, gdzie dostały się dzięki unoszeniu się ogrzewanego przez wyrzuty lawy powietrza, powodują odbijanie promieni słonecznych i zaciemnianie Ziemi. Działają więc odwrotnie niż dwutlenek węgla, który pochłania promienie słoneczne, nagrzewając planetę. Z czasem ilość dwutlenku węgla w atmosferze wzrosła i przełamała chłodzący efekt siarki – zrobiło się więc cieplej. Być może nawet na ok. 5 tys. lat.

Wulkany na planecie Ziemia

Wpływ wulkanów na klimat, a przez to także na losy żyjących na Ziemi gatunków, jest złożony. Choć uważa się, że przynajmniej trzy lub cztery z pięciu wielkich wymierań w ciągu ostatniego pół miliarda lat miały związek ze wzmożoną aktywnością wulkaniczną na Ziemi, to każde z tych zdarzeń przebiegało inaczej.

Przykładowo, podczas wymierania permskiego (252 mln lat temu) wybuchy wulkanów na Syberii wyrzuciły w powietrze ogromne ilości dwutlenku węgla, które przełamały efekty schładzających atmosferę związków siarki i pyłów, także uwolnionych w czasie erupcji. Konsekwencją był gwałtowny wzrost temperatury – nawet o kilkanaście stopni – trwający setki tysięcy lat.

Z kolei wcześniejsze wymieranie – dewońskie sprzed ok. 372 mln lat – nastąpiło w wyniku globalnego ochłodzenia. Wpływ na nie miała szybka kolonizacja lądu przez rośliny, w tym po raz pierwszy w historii Ziemi – wysokie drzewa, które wysysały dwutlenek węgla z atmosfery, a także zapuszczały korzenie, zwiększając erozję skał i dostawanie się rozmaitych pierwiastków do mórz. To z kolei powodowało zakwit glonów, które dodatkowo pochłaniały węgiel z atmosfery. Na to wszystko nałożyły się erupcje wulkanów, które dostarczyły do atmosfery odbijający promienie słoneczne dwutlenek siarki – a do mórz dodatkowe składniki odżywcze dla glonów.

Do pięciu wielkich wymierań nie wlicza się innego zdarzenia, które zaszło w czasach, gdy życiu nie śniło się jeszcze o kolonizacji lądów – i nie miało związku z wulkanizmem. Około 2,4 do 2 mld lat temu pewne jednokomórkowe organizmy nauczyły się produkować bardzo reaktywny gaz – tlen. Wówczas jego zawartość w atmosferze zauważalnie wzrosła (osiągając poziom ok. 10 proc. współczesnej zawartości). Tlen łączył się z różnymi pierwiastkami, niszcząc wiele form nieodpornego nań wczesnego życia. Zdarzenie to znane jest pod nazwą „katastrofy tlenowej”.

ŁK

Czynnik pozaziemski: zagładę dinozaurów mogły wywołać dwie katastrofy

W tym samym 2023 r. Sara Callegaro z Uniwersytetu w Oslo i współpracownicy opublikowali w „Science Advances” inną pracę poświęconą wulkanom na Dekanie. Badacze przyglądali się przede wszystkim poziomom siarki i fluoru w przyrodzie – ten ostatni pierwiastek nie miał jednak wywrzeć istotnego wpływu na klimat. Badacze ci zakwestionowali pogląd, że to same wulkany ponoszą odpowiedzialność za wielkie wymieranie sprzed 66 mln lat, a meteoryt musiał wylądować już na grobach dinozaurów. Ich zdaniem scenariusz był inny: powodowane przez wulkanizm (i przez uwalniane do atmosfery pierwiastki) cykle ocieplenia i ochłodzenia klimatu odbiły się na kondycji ekosystemów – a asteroida dokończyła dzieła zniszczenia.

Za scenariuszem dzielącym odpowiedzialność pomiędzy obie te katastrofy ma przemawiać kilka danych. Np. według analiz największe uwolnienie siarki miało miejsce ok. 100 tys. lat przed masowym wymieraniem – powodując krótkotrwałe ochłodzenie, które zachwiało ekosystemami. Z kolei późniejsze ocieplenie, związane ze wzrostem ilości dwutlenku węgla, miało miejsce podczas mniejszej aktywności wulkanicznej, szacowanej na podstawie objętości lawy w łańcuchu górskim w Indiach zwanym Ghatami Zachodnimi. Namieszać w atmosferze musiał więc także inny czynnik – pozaziemski. Autorzy zauważają, że aktywność wulkanów wzrosła już w paleogenie, a więc po wymieraniu, i była powiązana ze stosunkowo małymi zmianami temperatury.

Zdaniem tych autorów krótkotrwałe ochłodzenia pod koniec kredy mogły być więc powodowane aerozolami siarki z pojedynczych erupcji wulkanicznych. Potem następuje wzrost temperatur. Na początku paleogenu temperatura znów rośnie z powodu erupcji wulkanicznych, ale w tempie wolniejszym niż na końcu kredy.

Na temat przyczyn wymierania kredowego opublikowano wiele innych badań. Przykładowo, zespół kierowany przez prof. Gertę Keller z Uniwersytetu Princeton w 2020 r. na łamach „Global and Planetary Change” napisał, że to jednak wulkanizm z Dekanu był główną przyczyną końca dinozaurów. Uczeni ci oszacowali siłę erupcji na podstawie specyficznego chemicznego sygnału, jakim był wzrost ilości rtęci w morskich osadach w ciągu pół miliona lat przed końcem kredy. Nie chodziło o to, że ten ciężki metal zatruł ekosystemy, lecz że wyrzucona do środowiska w wyniku erupcji rtęć pozwala precyzyjniej niż inne sygnały oszacować, jak bardzo aktywne były wówczas wulkany. Pomiarów dokonano m.in. daleko od miejsca erupcji – w Tunezji i Izraelu. Z przeprowadzonych analiz wynika, że to właśnie wulkany miały w decydującym stopniu wstrząsnąć ziemskim klimatem tuż przed upadkiem asteroidy.

Inna grupa badawcza, z Lauren O’Connor z Uniwersytetu w Manchesterze na czele, opublikowała w 2024 r. w „Science Advances” pracę, w której analizowała zmiany temperatury w ciągu 100 tys. lat poprzedzających uderzenie asteroidy – na podstawie badań zawartości torfowisk w USA. Według autorów w tym okresie temperatura wzrosła o ok. 3 stopnie, z przerwami na fale nawet 5-stopniowego ochłodzenia po silnych erupcjach wulkanicznych. Jednak ok. 20 tys. lat przed masowym wyginięciem temperatury już się ustabilizowały. A same te wahania, zdaniem autorów, nie mogą tłumaczyć masowego wymierania, które nastąpiło już po upadku asteroidy.

Który z tych licznych scenariuszy jest prawdziwy? Zmarły w zeszłym roku profesor ekologii Zbigniew Maciej Gliwicz powtarzał, że jest „wrogiem wyjaśnień jednoczynnikowych” – bo skutki mogą wynikać z wielu przyczyn jednocześnie. Z takiej perspektywy za wymieranie mogą odpowiadać i wulkany, i asteroida, a znalezienie „głównego winowajcy” może być niemożliwe. Tym bardziej że w literaturze naukowej pojawiają się także głosy, iż uderzenie asteroidy… mogło doprowadzić do wzmożenia aktywności wulkanicznej na Dekanie, czyli przypieczętowało los dinozaurów, ale pośrednio.

Sprawy raczej szybko nie rozstrzygniemy. Acz dinozaurom nie robi to chyba różnicy.