Den allvarligaste massutrotningen i jordens historia inträffade med nästan inga tidiga varningstecken, enligt en ny studie av forskare vid MIT, Kina, och på andra ställen.

Massutrotningen i slutet av Perm, som ägde rum för 251,9 miljoner år sedan, dödade mer än 96 procent av planetens marina arter och 70 procent av dess jordlevande liv – en global förintelse som markerade slutet på permperioden.

Den nya studien, publiceras idag i GSA Bulletin , rapporterar att under de cirka 30, 000 år fram till utrotningen av Perm, det finns inga geologiska bevis på att arter börjar dö ut. Forskarna fann heller inga tecken på några stora svängningar i havstemperaturen eller dramatiska flöden av koldioxid i atmosfären. När hav och landarter dog ut, de gjorde det i massor, under en period som var geologiskt ögonblicklig.

"Vi kan med säkerhet säga att det inte fanns några initiala utrotningspulser som kom in, " säger studiens medförfattare Jahandar Ramezani, en forskare vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och planetvetenskap. "Ett livfullt marint ekosystem fortsatte till slutet av Perm, och sedan pang—livet försvinner. Och det stora resultatet av detta dokument är att vi inte ser tidiga varningssignaler om utrotningen. Allt hände geologiskt väldigt snabbt."

Ramezanis medförfattare inkluderar Samuel Bowring, professor i geologi vid MIT, tillsammans med forskare från den kinesiska vetenskapsakademin, Naturhistoriska riksmuseet, och University of Calgary.

Hitta saknade bitar

I över två decennier, Forskare har försökt fastställa tidpunkten och varaktigheten för massutdöendet i slutet av Perm för att få insikter om dess möjliga orsaker. Mest uppmärksamhet har ägnats välbevarade lager av fossilrika stenar i östra Kina, på en plats känd för geologer som Meishan-sektionen. Forskare har bestämt att denna del av sedimentära bergarter avsattes i en gammal havsbassäng, strax före och något efter utrotningen av slutperm. Som sådan, Meishan-sektionen tros bevara tecken på hur jordens liv och klimat gick fram till den katastrofala händelsen.

"Dock, Meishan-sektionen avsattes i en miljö på djupt vatten och är mycket kondenserad, säger Shuzhong Shen från Nanjing Institute of Geology and Palaeontology i Kina, som ledde studien. "Rockrekordet kan vara ofullständigt." Hela utrotningsintervallet vid Meishan omfattar bara 30 centimeter gamla sedimentära lager, och han säger att det är troligt att det fanns perioder i denna speciella havsmiljö när sedimenten inte satte sig, skapa "avsättningsluckor" under vilka några bevis på liv eller miljöförhållanden kanske inte har registrerats.

1994, Shen tog Bowring, tillsammans med paleobiologen Doug Erwin, nu curator för paleozoiska ryggradslösa djur vid Naturhistoriska riksmuseet och medförfattare till tidningen, letar efter ett mer komplett utrotningsrekord i Penglaitan, en mycket mindre studerad del av sten i södra Kinas Guangxi-provins. Penglaitan-sektionen är vad geologer anser vara "mycket expanderad." Jämfört med Meishans 30 centimeter av sediment, Penglaitans sedimentära lager utgör en mycket mer expanderad 27 meter som avsattes under samma tidsperiod, precis innan den huvudsakliga utrotningshändelsen inträffade.

"Det är från en annan del av den antika havsbassängen, som var närmare kontinenten, där du kan hitta korallrev och mycket mer sedimentation och biologisk aktivitet, " säger Ramezani. "Så vi kan se mycket mer, som i vad som händer i miljön och med livet, under samma tidsperiod."

Forskarna samlade och analyserade noggrant prover från flera lager av Penglaitan-sektionen, inklusive prover från askbäddar som avsattes av vulkanisk aktivitet som inträffade när närliggande havsbotten krossades långsamt under kontinental skorpa. Dessa askbäddar innehåller zirkoner - små mineralkorn som innehåller uran och bly, förhållandena som forskare kan mäta för att bestämma zirkonens ålder, och askbädden varifrån den kom.

Ramezani och hans kollegor använde denna geokronologiska teknik, utvecklad till stor del av Bowring, för att med hög precision bestämma åldern på flera askbäddskikt i hela Penglaitan-sektionen. Från deras analys, de kunde fastställa att slut-Perm-utrotningen inträffade plötsligt, för cirka 252 miljoner år sedan, ge eller ta 31, 000 år.

"Ett plötsligt slag"

Teamet analyserade också sedimentära lager för fossiler, samt syre- och kolisotoper, som kan berätta något om havets temperatur och tillståndet för dess kolcykel vid den tidpunkt då sedimenten deponerades. Från fossilregistret, de förväntade sig att se vågor av arter som dör ut i upptakten till den slutliga utrotningshorisonten. Liknande, de förutsåg stora förändringar i havets temperatur och kemi, som skulle signalera den kommande katastrofen.

"Vi trodde att vi skulle se en gradvis nedgång i mångfalden av livsformer eller, till exempel, vissa arter som är kända för att vara mindre motståndskraftiga än andra, vi förväntar oss att de skulle dö ut tidigt, men det ser vi inte, " Ramezani säger. "Försvinnanden är väldigt slumpmässiga och överensstämmer inte med någon form av fysiologisk process eller miljöeffekt. Det får oss att tro att de förändringar vi ser före händelsehorisonten inte riktigt speglar utrotning."

Till exempel, forskarna hittade tecken på att havstemperaturen steg från 30 till 35 grader Celsius från basen till toppen av 27-metersintervallet - en period som omfattar cirka 30, 000 år före den huvudsakliga utrotningen. Denna temperatursvängning, dock, är inte särskilt signifikant jämfört med en mycket större upphettning som ägde rum efter att de flesta arter redan hade dött ut.

"Stora förändringar i temperatur kommer direkt efter utrotningen, när havet blir riktigt varmt och obekvämt, "Säger Ramezani. "Så vi kan utesluta att havstemperaturen var en drivkraft för utrotningen."

Så vad kunde ha orsakat det plötsliga, global wipeout? Den ledande hypotesen är att den slutliga permiska utrotningen orsakades av massiva vulkanutbrott som spydde ut mer än 4 miljoner kubikkilometer lava över det som nu är känt som de sibiriska fällorna, i Sibirien, Ryssland. Sådana enorma och ihållande utbrott släppte sannolikt ut enorma mängder svaveldioxid och koldioxid i luften, uppvärmning av atmosfären och försurning av haven.

Tidigare arbete av Bowring och hans tidigare doktorand Seth Burgess fastställde att tidpunkten för Siberian Traps-utbrotten matchar tidpunkten för slut-Permian utrotning. Men enligt lagets nya data från Penglaitan-sektionen, även om ökad global vulkanisk aktivitet dominerade de senaste 400, 000 år av perm, det verkar inte som om det fanns några dramatiska utdöende av marina arter eller några betydande förändringar i havstemperaturen och atmosfäriskt kol under de 30, 000 år fram till den huvudsakliga utrotningen.

"Vi kan säga att det var omfattande vulkanisk aktivitet före och efter utrotningen, vilket kunde ha orsakat viss miljöstress och ekologisk instabilitet. Men den globala ekologiska kollapsen kom med ett plötsligt slag, och vi kan inte se dess rykande pistol i sedimenten som registrerar utrotning, " säger Ramezani. "Nyckeln i denna tidning är plötsligheten i utrotningen. Varje hypotes som säger att utrotningen orsakades av gradvis miljöförändring under det sena Perm - alla dessa långsamma processer, vi kan utesluta. Det ser ut som ett plötsligt slag kommer in, och vi försöker fortfarande ta reda på vad det betydde och exakt vad som orsakade det."

"Denna studie lägger mycket till de växande bevisen för att jordens stora utrotningshändelser inträffar på mycket korta tidsskalor, geologiskt sett, " säger Jonathan Payne, professor i geologisk vetenskap och biologi vid Stanford University, som inte var involverad i forskningen. "Det är till och med möjligt att den huvudsakliga pulsen av Permian utrotning inträffade på bara några århundraden. Om det visar sig återspegla en miljövändpunkt inom ett längre intervall av pågående miljöförändringar, Det borde göra oss särskilt oroade över potentiella paralleller till globala förändringar som sker i världen omkring oss just nu."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.