ИСКОПАЕМЫЕ, ПРОРОК БУДУЩЕГО

il 11 Aprile 2023 / IBI World Sweden, Промышленность / Scrivi un commento

Индустриальный век стоил человечеству глубоких климатических изменений, которые происходят с беспрецедентной скоростью. Этот процесс напоминает быстрые изменения, которые влияли на экосистемы Земли в ее геологическом прошлом и которые – поэтому – могут помочь нам предсказать и направить будущий выбор. Или, по крайней мере, рассказать нам, почему определенные решения могут иметь тяжелые последствия, основываясь на опыте миллионов лет истории Земли.

За последние 500 миллионов лет наша планета пережила как минимум пять катастрофических периодов, которые привели к вымиранию более 90% организмов, живших в то время на Земле. Согласно палеонтологии, то есть научному изучению доисторического периода, последнее “массовое вымирание” произошло 66 миллионов лет назад, обозначив границу между меловым и палеоценом, и уничтожив около 76% всех живых видов на планете, включая не птичьих динозавров^[1].

Как уже упоминалось, палеонтология изучает живой мир прошлых эпох, пытаясь восстановить его историю, природные законы и развитие. Одной из важнейших задач науки является реконструкция природных условий, в которых развивалась жизнь на Земле в различные периоды ее истории, и делается это путем изучения останков организмов и горных пород, поскольку они несут на себе следы времени, в которое они были созданы, и сегодня мы знаем, что климат является важным фактором, влияющим на жизнь и формирование минералов и горных пород^[2]. Мир палеонтологии постоянно обогащается новыми открытиями, которые помогают нам понять настоящее и задуматься о будущем.

Угроза биоразнообразию

Виды животных зависят друг от друга, обеспечивая существование и, следовательно, биоразнообразие[3]

С увеличением антропогенного давления (влияние человечества на планету) разнообразие в биосфере (пригодной для жизни части Земли, на земле и в воздухе) сокращается быстрыми темпами и является самой серьезной экологической проблемой, с которой мы сталкиваемся сегодня. В исследовании под названием “Интеграция биологии сохранения и палеобиологии для управления биоразнообразием и экосистемами в меняющемся мире” ученые подчеркивают важность палеонтологических данных глубокой древности (более 2 миллионов лет назад) для определения приоритетов сохранения видов и реализации эффективных мер по сохранению^[4].

Ученые предполагают, что палеонтологические данные, полученные из окаменелостей, обладают огромной силой для предсказания будущего и могут дать больше советов по сохранению жизни, чем известно в настоящее время, предоставляя нам информацию о причинах, по которым виды склонны к вымиранию и исчезновению. Ученые сравнивают события глубокого времени с процессами, вызванными деятельностью человека. Это сравнение позволяет определить вероятную долгосрочную реакцию видов и экосистем на абиотические стрессоры (неживотные стрессоры, такие как засуха, засоленность, мороз и чрезмерная жара). Скорость исчезновения или изменения растительных сообществ после массового вымирания 66 миллионов лет назад может быть использована, например, для разработки программы восстановления лесов в регионах, сильно деградировавших в результате антропогенного давления (изменения окружающей среды, вызванные деятельностью человека).

Изучение уменьшения размеров тела млекопитающих в периоды длительных высоких температур может быть использовано для прогнозирования изменений в составе и функциях будущих сообществ животных в ответ на изменение климата. Понимание механизмов вымирания пелагических акул в начале миоцена, например, может выявить абиотические факторы, которые вызывают сокращение численности акул в открытом океане сегодня. Поэтому глубокий временной анализ является ценным источником информации для прогнозирования реакции видов на изменение условий окружающей среды. Однако при интерпретации полученных выводов следует проявлять определенную осторожность, поскольку они не могут учесть все аспекты естественной реакции^[5].

По следам динозавров

Временная модель возраста Земли[6]

Ранее считалось, что теплый, ровный климат раннего мезозоя был наиболее подходящей средой для динозавров. Но новые исследования показывают, что они были прекрасно приспособлены к холодным условиям и успешно переживали морозные зимы, что стало решающим фактором их выживания в позднем триасе. По мнению многих ученых, событие массового вымирания, которое уничтожило более трех четвертей всех наземных и морских видов, включая ракообразных, кораллы и всех крупных рептилий, было спровоцировано впоследствии широкомасштабными извержениями вулканов – результатом движения тектонических плит^[7].

Кроме того, извержения могли вызвать взрыв углекислого газа в атмосфере, что привело бы к повышению его и без того запредельного уровня, вызвав смертельные скачки температуры на суше и сделав воды океана слишком кислыми для выживания многих существ. Авторы нового исследования предполагают, что во время наиболее интенсивных фаз извержений выбрасывались серные аэрозоли, которые отражали так много солнечного света, что вызывали повторяющиеся глобальные вулканические зимы, которые могли длиться десятилетие и более; даже в тропиках могли наблюдаться продолжительные заморозки. Это привело к гибели неизолированных рептилий, но изолированные, приспособленные к холоду динозавры смогли выжить.

Устойчивость к холоду, обусловленная вероятным наличием протоперьев (предшественники перьев современных птиц, роговые накожные образования которые предположительно были у некоторых динозавров) у многих представителей вида, а также теплокровная система и высокий метаболизм позволили динозаврам пережить темноту и холод вулканических зим и расшириться, чтобы доминировать в наземных сообществах в течение следующих 135 миллионов лет^[8].

Современные исследования изменения климата сосредоточены на феномене глобального потепления, особенно в полярных регионах. Ученые пытаются смоделировать жизнь в более теплом мире и смягчить возможные последствия. Изменения очень сложны, и исследование древней Арктики может быть очень полезным, особенно для понимания того, как осадки и температура влияют на популяции позвоночных^[9].

Группа ученых под руководством Энтони Фиорилло (Anthony Fiorillo), палеонтолога из Южного методистского университета в Далласе, штат Техас, провела исследование мелового периода северного региона американского континента. Важность периода и местности заключается в том, что в то время Земля находилась в состоянии сокращения пригодных для жизни территорий и позволяет смоделировать, что мы можем увидеть, если глобальное потепление продолжится и климат станет таким же теплым и влажным, как в меловом периоде^[10].

Параллели между глубокими событиями и антропогенными изменениями^[11]

Ученые определили два важнейших климатических параметра и продемонстрировали их роль в формировании популяций животных и растений в арктической Аляске на примере двух семейств травоядных динозавров (Hadrosauridae и Ceratopsidae), от которых зависело здоровье экосистемы, в которой они обитали. Исследование предполагает, что среднегодовые осадки играли более важную роль в определении распределения травоядных динозавров, чем среднегодовая температура^[12].

В ходе исследования изучались животный и растительный мир и древние климатические условия в наземной экосистеме Аляски. Невозможно проанализировать скорость изменений, которая могла быть совсем другой в меловой период, но можно реконструировать, как выглядела бы береговая линия, свободная ото льда, и посмотреть, как реки и поймы реагировали бы на весеннее таяние гор, если бы все не замерзло, а также проследить за распределением растений и животных^[13].

Биоразнообразие очень чувствительно к любым изменениям климата и в настоящее время находится в критическом состоянии. Учитывая общность таких событий, как гипертермические явления, потеря среды обитания и загрязнение окружающей среды, возникает вопрос: может ли риск вымирания видов во время прошлых массовых катастроф помочь нам в попытках прогнозирования текущего кризиса биоразнообразия? Исследование, опубликованное Королевским обществом, основано на модели риска вымирания с использованием алгоритма машинного обучения на основе серии морских ископаемых записей о массовых вымираниях в позднепермском, позднетриасовом и позднемеловом периодах (252, 200 и 66 миллионов лет назад соответственно)^[14].

Стоит отметить, что позднепермское и триасовое массовые вымирания связаны с извержением крупных магматических областей (областей, характеризующихся чрезвычайно большими скоплениями магматических пород), что привело к каскадным изменениям в окружающей среде, таким как потепление из-за выбросов парниковых газов, деоксигенация и закисление океана. Меловой период не столь однозначен, поскольку массивные вулканические извержения совпали с падением на Землю крупного метеорита, что привело к тепловому стрессу в виде экстремального регионального импульса потепления вокруг места падения и экстремального глобального похолодания климата в краткосрочной перспективе (десять лет), за которым последовало подкисление океана и сокращение роста органического вещества в более долгосрочной перспективе. Другими словами, нельзя сказать, что начальные условия были такими же, как те, о которых мы знаем с большей уверенностью^[15].

Анализ показывает, что, хотя существует некоторое сходство в закономерностях избирательности вымирания между древними кризисами, избирательность не является постоянной, что приводит к плохой предсказательной эффективности. Как и в случае с метеорологией, мы можем предположить, но не можем с уверенностью предсказать реальность.

Кроме того, сложность прогнозирования связана с различиями в том, как угрозы биоразнообразию проявлялись в геологическом прошлом, по сравнению с тем, как они проявляются сегодня. Например, антропогенное загрязнение наших дней гораздо шире по масштабу и включает синтетические вещества, а интродукция (намеренное или случайное переселение человеком представителей живого мира за пределы естественного ареала обитания), вероятно, происходит в гораздо более широких пространственных масштабах и более быстрыми темпами. Размер географической территории и богатство видов в ней, несомненно, дают преимущества в плане выживания, но не являются решающими в условиях массовых вымираний^[16].

Влияние дрейфа континентов

Два миллиарда лет назад в Землю врезался астероид, изменив экологический баланс на миллионы лет[17]

В начале истории Земли атмосферный кислород преобладал над растворенным кислородом в океанах. Однако теперь международная группа ученых предлагает альтернативный взгляд на эту реконструкцию, подчеркивая важность горизонтального движения тектонических плит и неравномерного распределения растворенного кислорода на поверхности и на дне океана в диффузии кислорода в почве, море и воздухе^[18].

Исследование показывает, что содержание кислорода в Мировом океане нестабильно и колеблется с интервалом в несколько тысяч лет. Предположительно, такие колебания могут играть ключевую роль в резком увеличении биоразнообразия, как это произошло в начале палеозоя, когда произошел так называемый кембрийский взрыв (т.е. огромный рост находок ископаемых останков живых существ в отложениях раннего кембрийского периода, который датируется началом палеозоя, около 538,8 млн. лет назад). В этой нестабильности может быть виновато движение континентов^[19].

Хотя дрейф континентов кажется медленным, незаметным и, казалось бы, не способным вызвать резкие изменения, он напрямую влияет на движение океанических вод. Поверхностные воды становятся холоднее и тяжелее по мере приближения к полюсам и опускаются вниз вместе с содержащимся в них кислородом, стимулируя развитие биома (специфической наземной среды, характеризующейся определенной растительностью) и климата на дне. Сила восходящих потоков поднимает органические вещества на поверхность, провоцируя рост планктона. Этот цикл является ключевым фактором в формировании разнообразия и распределения морской жизни^[20].

Согласно исследованию, этот циклический процесс может быть прерван или даже полностью остановлен, что окажет серьезное влияние на эволюцию морской жизни в глобальном масштабе, если воздействие человечества на планету окажется слишком серьезным. Исследование Сиднейского университета было призвано определить влияние глобального потепления на скорость циркуляции в глубинах океана – так называемую скорость океанического конвейера (т.е. постоянных подводных течений). Ученые считают, что это очень важно для прогнозирования динамики температуры океана и растворения углекислого газа.

До сих пор около четверти углекислого газа, образующегося в результате деятельности человека (и более 90% связанного с ним избыточного тепла), поглощалось океаном без серьезных проблем^[21]. Мелкие организмы, дрейфующие в воде, используют растворенный углекислый газ для создания скелета и раковин. В конце своего жизненного цикла организмы опускаются на дно, унося с собой углерод, накопленный ими в течение жизни. Таким образом, на дне океана постоянно накапливается масса осадочных пород – глобальное хранилище углерода^[22].

Так называемый океанический конвейер, благодаря которому сегодня с помощью инструментов палеонтологии и геологии можно предсказывать значительные изменения климата[23]

Благодаря геологической документации океанского дна, знанию его формы и анализу цикла донного осадконакопления ученые смогли понять, когда и где остановилось осадконакопление. Ученые пришли к выводу, что осадконакопление практически не прекращалось в течение 13 миллионов лет, что соответствует снижению средней температуры на планете и росту ледяных шапок на суше. Это говорит о том, что конвейер океанов постепенно замедлился по сравнению с периодом, когда температура на Земле была на три-четыре градуса выше, чем сегодня, а глубинные океанические потоки были гораздо быстрее^[24].

Независимые исследования с использованием спутниковых данных показывают, что крупномасштабная океаническая циркуляция и океанические вихри стали более активными за последние два-три десятилетия глобального потепления. Об этом также свидетельствует исследование морского дна вокруг Новой Зеландии, которое показало, что производство сохранившихся морских раковин в виде карбонатных отложений было больше в древние периоды потепления климата, несмотря на закисление океана в это время. Совокупность этих результатов позволяет сделать вывод, что более теплые океаны не только имеют более активную глубинную циркуляцию, но и потенциально более эффективно хранят углерод^[25]. Но чтобы быть уверенным, необходим более полный анализ геологической истории океанических бассейнов.

Еще одно интересное предложение выдвинула международная группа ученых под руководством исследователей из Школы естественных наук Тринити-колледжа в Дублине. Проведя химический анализ древних грязевых отложений из скважины глубиной 1,5 км в Уэльсе, ученые смогли связать два ключевых события, которые произошли около 183 миллионов лет назад (период Тоар) и привели к резкому потеплению климата Земли и последующим глобальным изменениям экосистемы. Этот период характеризуется катастрофической вулканической активностью, так называемыми Великими Провинциями Извержений (LIPs), и связанными с ними выбросами парниковых газов в Южном полушарии, где сегодня находятся Южная Африка, Антарктида и Австралия^[26].

Глобальные модели для реконструкции тектонических плит и их движения, а также концентрации ртути в осадочных породах Нижнего Тавра помогли команде обнаружить фундаментальный геологический процесс. Когда скорость движения континентальных плит замедляется почти до нуля из-за изменения направления, потоки горячей магмы, движущейся из основания мантии, близкого к ядру Земли, могут подниматься на поверхность, вызывая крупные вулканические извержения и связанные с ними нарушения климата и массовые вымирания. Другими словами, нормальная скорость движения континентальных плит в несколько сантиметров в год эффективно препятствует проникновению магмы в континентальную кору Земли^[27].

Обновление палеонтологии

Модель, связывающая изменения в движении плит с поверхностным магматизмом^[28]

Для понимания процессов формирования климата в прошлом и для того, чтобы иметь возможность прогнозировать будущие изменения и смягчать их последствия, необходим комплексный подход со стороны всех научных дисциплин. В этом контексте палеонтология может предложить уникальный взгляд на прошлые биологические изменения. В частности, палеонтология позволяет систематически оценивать последствия прошлых изменений климата и проводить параллели с современными изменениями, например, прогнозируя реакцию биоты (совокупности растительных и животных организмов, живущих в данной экосистеме) на изменение климата, помогая предсказать смену видов, локальные вымирания, смену биомов и многое другое.

Тем не менее, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) считает, что в настоящее время палеонтология не в состоянии предоставить политически значимую информацию о последствиях изменения климата. По мнению экспертов по климату, палеонтология рассматривает гораздо более длительные временные масштабы, чем те, которые считаются актуальными в контексте работы организаций по защите климата.

На примере исследований массовых вымираний видов при различной степени потепления научная группа, действующая от имени ООН, считает, что повышение надежности заявлений и количественная оценка прогнозируемых потерь должны стать приоритетом для исследований палеонтологов. Одной из основных задач рабочей группы МГЭИК является определение уязвимости различных систем к изменению климата, в то время как большинство палеонтологических исследований до сих пор фокусировались на каком-то одном аспекте уязвимости, а не изучали вопрос более комплексно.

По мнению МГЭИК, вклад палеонтологии в политически значимые исследования воздействия климата может быть увеличен за счет более целенаправленных исследований, четкого учета временных масштабов и, прежде всего, лучшей структуры и отчетности. Окаменелости, несомненно, имеют огромное значение для понимания механизмов жизненного цикла нашей планеты, а знание длинных временных рядов экологических изменений может помочь ученым предсказать будущую реакцию окружающей среды^[29].

Но стоит отметить, что большинство исследований и выводов носят косвенный и гипотетический характер, взаимосвязи пронизаны словами: вероятно, возможно, предсказано, предсказуемо, вероятно. Мир вокруг нас – это не замкнутая и предсказуемая система, а большой живой организм, который постоянно находится в активном и динамичном состоянии, где предсказания остаются предсказаниями. Нам предстоит пройти еще долгий путь.

^[1] https://www.nationalgeographic.com/science/article/mass-extinction

^[2] https://postnauka.ru/faq/68269

[3] https://www.biologyonline.com/dictionary/biodiversity

^[4] https://www.frontiersin.org/research-topics/23453/integrating-conservation-biology-and-paleobiology-to-manage-biodiversity-and-ecosystems-in-a-changing-world#articles

^[5] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fevo.2022.959364/full

[6] https://www.geologyin.com/2016/12/10-interesting-facts-about-geological.html

^[7] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6342

^[8] https://news.climate.columbia.edu/2022/07/01/dinosaurs-took-over-amid-ice-not-warmth-says-a-new-study-of-ancient-mass-extinction/

^[9] https://www.smithsonianmag.com/science-nature/paleontologists-are-still-puzzling-over-why-dinosaurs-ran-hot-180980307/

^[10] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6342

^[11] https://www.zora.uzh.ch/id/eprint/224628/1/ZORA_pdf.pdf

^[12] https://www.mdpi.com/2076-3263/12/4/161