Tallar blir tillfälligt sterila när de utsätts för ultraviolett strålning så intensivt som vissa forskare tror att jorden upplevde för 252 miljoner år sedan under planetens största massutrotning, ge stöd åt teorin att ozonnedbrytning bidrog till krisen.

Effekten av hög UV på barrträd och potentiellt andra träd tyder också på att man bör vara försiktig idag med att introducera kemikalier som bryter ned jordens ozonskikt, som ännu inte har återhämtat sig efter ett globalt förbud mot klorfluorkolvätens köldmedier på 1980-talet efter att ozonhål utvecklats över polerna. Vissa industrikemikalier förstör även atmosfäriskt ozon, som är planetens solskyddsmedel, skyddar allt liv från överdriven UV-strålar, i synnerhet UV-B-våglängder, som orsakar mutationer i DNA.

Resultat av experimentet, som genomfördes av University of California, Berkeley doktorand Jeffrey Benca, kommer att publiceras den 7 februari i nättidskriften Vetenskapens framsteg .

Benca bestrålade 18 tum hög, bonsailiknande tallar med UV-B-doser upp till 13 gånger starkare än på jorden idag, simulerar effekterna av ozonnedbrytning orsakad av enorma vulkanutbrott som inträffade i slutet av permperioden. Under det två månader långa experimentet, inget av träden dog utom alla frökottar, eller kottar, krympte bara dagar efter uppkomsten, lämnar träden sterila.

När den placeras utanför, träden återfick förmågan att producera friska frökottar under senare år.

Forskare har föreslagit att ozonnedbrytning orsakad av periodiska vulkanutbrott under nästan en miljon år var en orsak till utrotningen av Perm. men hur har varit oklart. Surt regn skulle ha varit en lokal effekt, men utrotningen av nästan 70 procent av kända landdjur, 95 procent av det marina livet och många växtstammar var globala.

Tidigare paleoklimatmodelleringsstudier tyder på att vulkaniska sprutor kunde ha utplånat ozonskiktet över hela världen, dock tillfälligt. Ändå, även om gamla träd återfick sin fertilitet, upprepade anfall av sterilitet kunde ha hämmat befolkningstillväxten över tid, leder till kollaps av biosfären över hela planeten, enligt Benca.

Långvarig biosfärkollaps

"Under den slut-permiska krisen, skogarna kan ha försvunnit helt eller delvis på grund av ökad UV-exponering, " sa Benca. "Med pulser av vulkanutbrott som händer, vi förväntar oss en försvagning av pulserande ozonsköld, vilket kan ha lett till skogsnedgångar som tidigare observerats i fossilregistret."

"Om du stör några av de dominerande växtlinjerna globalt upprepade gånger, du kan utlösa trofiska kaskader genom att destabilisera näringsväven, vilket inte fungerar särskilt bra för landdjur, " han lade till.

De överraskande fynden säger forskarna något om tidigare utrotningar och jordens framtidsutsikter som klimatförändringar, livsmiljöförstörelse och föroreningar gjorde oss redo för jordens sjätte massutrotning.

"Paleontologer har kommit på olika dödsscenarier för massutrotning, men växtlivet kanske inte påverkas av att plötsligt dö så mycket som genom att avbryta en del av livscykeln, som reproduktion, under en lång period, får befolkningen att minska och potentiellt försvinna, "sa medförfattaren Cindy Looy, en UC Berkeley docent i integrativ biologi.

"Globala biologiska mångfaldskatastrofer handlar inte om död utan om beskärning av evolutionära grenar på livets träd i en takt som är mycket högre än spirande av nya skott, " tillade medförfattaren Ivo Duijnstee, en adjungerad biträdande professor i integrativ biologi. "Jeff, som använde sina växtkammare som en tidsmaskin för att testa potentialen i en hypotes om vad som kan ha hänt för 252 miljoner år sedan, ger ett utmärkt exempel som illustrerar hur den långsamt utvecklande utrotningen på land under kanske tiotals eller hundratusentals år kan ha orsakats av reproduktionsproblem vid basen av näringskedjan."

Sibiriska vulkaner

Utrotningen i slutet av perm tros ha orsakats av vulkanutbrott i Sibirien under hundratusentals om inte en miljon år som producerade vad som idag kallas de sibiriska fällorna:lavafält som täcker stora delar av norra Ryssland och som ursprungligen omfattar nästan 3 miljoner kvadratkilometer med en genomsnittlig tjocklek på cirka 1, 000 fot.

År 2004 Looy och hennes tidigare Ph.D. rådgivare Henk Visscher föreslog ett sätt att detta kunde ha utspelat sig, baser på fossiliserade onormala växtsporer som hittats över hela världen:vulkaniska gaser - halokarboner som metylklorid och metylbromid - förstörde mycket eller hela jordens ozonskikt, öka UV-B-exponering som skulle ha påverkat livet och potentiellt ökat de genetiska mutationshastigheterna i pollen och sporer från växter över hela världen.

Bevis för denna hypotes växte under 2005 när ett oberoende forskarteam ledd av Clinton Foster från Geoscience Australia upptäckte missbildade pollenkorn från fröväxter från ändarna av Perm. Ökningen av andelen missbildat pollen, som ses på både norra och södra halvklotet, sammanföll med nedgången av skogar globalt.

Att hitta bevis på missbildningsmekanismer i 252 miljoner år gamla pollenfossiler är omöjligt, så Looy och andra har letat efter andra sätt att avgöra om ökad UV-B störde slut-permiska ekosystemet. Benca kom med en serie experiment med levande växter för att testa hypotesen.

Det första experimentet, med tallar, designades för att ta reda på om höga nivåer av UV-B kan orsaka missbildade pollenkorn i dagens fröväxter liknande de som beskrivits av Foster, och om dessa missbildningar kan påverka reproduktionen. Att klämma in en mogen tall i ett laboratorium var en problematik tills Benca hittade en ny lösning:att använda en dvärgsort utvald för bonsai som lätt producerar pollen och frökottar.

Under 2013, han transporterade 60 dvärgklonala tallar till Berkeley från ett barrträdsträdgård i Boring, Oregon. Efter att ha acklimatiserat dem i ett år utomhus i full sol med sparsamt vatten och näringsfattig jord - typiska förhållanden för denna alpina art, Pinus mugo - körde ett 56-dagars experiment inomhus med högintensiva UV-B-emitterande lampor.

I tre separata UV-kammare inomhus, Benca exponerade dvärgtallarna till 7,5, 10 och 13 gånger Berkeleys normala UV-B-intensitet, i linje med uppskattningar av vilken inverkan Siberian Trap-utbrott skulle ha haft på ozonskiktet om deras utsläpp inträffade under olika långa tider, allt från 400, 000 år till mindre än 200, 000 år.

Verkligen, tallarna producerade missbildat pollen. Vid medel- och extremexponering, 12 till 15 procent av pollenkornen var missformade, mot 3 procent i normala och lågexponerade träd. Fosters tidigare studie antydde att pollenavkastning med mer än 3 procent missbildade korn är förknippade med miljöstress i moderna barrträd, sa Benca. Totalt, han tillbringade tre år med att genomföra experimenten och jämförde mer än 57, 000 pollenkorn producerade av träd i kamrarna.

Till forskarnas förvåning, dock, alla träd som utsattes för ökade UV-nivåer blev sterila. Deras frökottar krympte innan de hade en chans att bli befruktade. Detta verkade vara en systemisk reaktion på UV-B-stress, eftersom även frökottar gömda bland lövverk dog.

"Systemet vi använde var egentligen ganska konservativt, ", sa Benca. "Till skillnad från de relativt oskyddade fröbärande strukturerna hos drabbade änd-permiska fröväxter, dagens tallar har utarbetade och mycket kraftigt förstärkta, sammankopplade konfjäll som skyddar sina frön från rovdjur och den yttre miljön. Ändå, dessa träd slängde precis alla sina frökottar. Pinus mugo är en alpin art som borde vara ganska motståndskraftig mot ökade UV-nivåer."

"Att Jeffs UV-B-experiment - något av ett beräknat långskott - producerade pollenavvikelser i ett modernt barrträd som liknar avvikelser som observerats i 252 miljoner år gamla mikrofossiler var en av de mest spännande sakerna jag har sett det här decenniet, " sa Duijnstee.