Kopplingen mellan massiv översvämningsbasaltvulkanism och massutrotningen i slutet av trias (201 miljoner år sedan) är allmänt accepterad. Men exakt hur vulkanismen ledde till kollaps av ekosystem och utrotning av hela familjer av organismer är svårt att fastställa.
Extrema klimatförändringar, från utsläpp av koldioxid, nedbrytning av ozonskiktet på grund av insprutning av skadliga kemikalier, och utsläpp av giftiga föroreningar ses alla som bidragande faktorer. Ett giftigt element sticker ut:kvicksilver. Som ett av de giftigaste grundämnena på jorden är Hg en metall som släpps ut från vulkaner i gasform och därmed har kapacitet att spridas över hela världen.
En ny studie i Nature Communications lägger till nya övertygande bevis för de kombinerade effekterna av global uppvärmning och utbredda kvicksilverföroreningar som fortsatte att stressa växter långt efter att vulkanaktiviteten hade upphört.
Ett internationellt team av holländska, kinesiska, danska, brittiska och tjeckiska forskare studerade sediment från norra Tyskland i en borrkärna (Schandelah-1) som sträcker sig över den översta trias till nedre jura för mikrofossiler och geokemiska signaler. En studie av överflöd av pollen och sporer avslöjade ett överflöd av ormbunkesporer som visade en rad missbildningar, från abnormiteter i väggstrukturen till bevis för felaktiga meiotiska delningar, vilket leder till osparerade, dvärgformade och sammansmälta ormbunkesporer.
"Att se den stora mängden och olika typer av missbildade ormbunkesporer i sedimentprover från en kustlagun, som går tillbaka för 201 miljoner år sedan, är verkligen häpnadsväckande. Det betyder att det måste ha varit väldigt många ormbunkar som stressade", förklarar Remco Bos, en Ph.D. .D. kandidat vid Utrecht University och huvudförfattare till studien. "Det är inte heller något vi ser regelbundet under andra perioder som också innehåller många ormbunksfossiler, vilket gör det till en sann signal kopplad till massutrotningen i slutet av trias."
Avskogning och ormbunkar
Resultaten från Bos och medförfattare bekräftar tidigare arbete av medförfattarna Sofie Lindström (Köpenhamns universitet), Hamed Sanei (Aarhus Universitet) och Bas van de Schootbrugge (Utrecht University), som tidigare producerat liknande data från kärnor från Danmark och från närliggande hällar i Sverige.
Enligt Sofie Lindström, "ormbunkar ersatte träd över utrotningsintervallet som svar på dramatiska miljöförändringar som sannolikt drivs av värmestress, kraftigt ökat monsunfall och ökad skogsbrandsaktivitet. Palynologiska resultat visar att banbrytande ormbunksvegetation spred sig över stora delar av kustnära lågland. i nordvästra Europa från Sverige och Danmark till Tyskland, Frankrike, Luxemburg och Österrike som svar på omfattande avskogning."
Ormbunkar är tåliga växter som ofta koloniserar störda miljöer, inklusive nybildade vulkanöar eller landskap ödelade av vulkanism eller skogsbränder. "Vad som är extraordinärt här är att ormbunkarna som producerade alla dessa missbildade sporer på alla dessa olika platser inte dog ut. Medan andra växter dog ut, var ormbunkar tydligen robusta nog att fortsätta, vilket också kan relateras till deras olika kvicksilvertolerans. "
I den här nya studien visar Bos och medförfattare att ormbunkarna, som utnyttjade skogarnas döende, själva utsattes för stress från Hg-föroreningar långt bortom det omedelbara utrotningsintervallet.
"Vi hittade ytterligare fyra intervall med höga nivåer av Hg-koncentrationer och högt antal missbildade sporer under 1,3 till 2 miljoner år efter utrotningsintervallet", förklarar Remco Bos. Detta intervall, känt som Hettangian, var en tid av fortsatt ogynnsamma förhållanden i haven, med generellt låga mångfalder bland marina ryggradslösa djur, såsom ammoniter och musslor. På land såg växtligheten dock ut att ha återhämtat sig snabbare.
"Vi visar nu att detta skogsekosystem fortsatte att störas upprepade gånger i minst 1,3 miljoner år, men kanske så länge som 2 miljoner år", förklarar Bos.
De fyra ytterligare episoderna av höga Hg-koncentrationer och höga ormbunksspormissbildningar var osannolikt kopplade till senare faser av vulkanismen i Central Atlantic Magmatic Province. Istället visar Bos och medförfattare att dessa perioder nära motsvarar den långa excentricitetscykeln, den stora variationen i formen på jordens omloppsbana som flyttar jorden närmare eller längre bort från solen vart 405 tusen år.
Under excentricitetsmaxima rör sig jorden närmare solen, vilket gör att mer solljus når jordens yta. Eftersom jordens atmosfär redan var överladdad med koldioxid från den storskaliga vulkanismen, utlöste denna cykliska modulering av klimatsystemet upprepade gånger skogens döende, vilket möjliggjorde en förnyad spridning av pionjärormbunkar.
Som framgår av sambandet med höga Hg-halter var missbildningar i ormbunkesporer under dessa episoder också resultatet av kvicksilverförgiftning. Men var kom detta Hg ifrån?
Hg-isotoper
En viktig datauppsättning genererades vid Tianjin University (Kina) av Wang Zheng, en motsvarande författare och geokemist specialiserad på metallisotopstudier, särskilt Hg-isotoper. Kvicksilver har olika stabila isotoper som beter sig olika i miljön.
Under reaktioner i naturen, till exempel utstötning från vulkanism, avsättning från atmosfären och upptag av organismer, kan Hg-isotoper fraktioneras, vilket berikar en pool i tyngre isotoper och andra i lättare isotoper. Sediment med förhöjda nivåer av Hg och missbildade sporer visar också tydliga variationer i Hg-isotoper.
"Baserat på Hg-isotopvariationerna kunde vi koppla en initial puls i Hg-anrikning vid gränsen mellan Trias och Jura till utsläppet av kvicksilver från översvämningsbasaltvulkanism," förklarar Wang Zheng. "Men de fyra andra pulserna i kvicksilver hade en annan isotopsammansättning, vilket indikerar att de huvudsakligen drevs av Hg-inmatning från jorderosion och fotokemisk reduktion."
De kombinerade geokemiska och mikrofossila uppgifterna målar alltså upp en bild av ett mycket mer komplext och utdraget händelseförlopp, som börjar med massiv vulkanism som driver klimatförändringar och frigör giftiga föroreningar, följt av episodiska pulser av störningar i efterdyningarna av utrotningshändelsen som varar i minst 1,3 miljoner år.
Dr. Tomas Navratil från den tjeckiska vetenskapsakademin, medförfattare till tidningen och specialist på modern kvicksilverförorening, håller med om detta scenario. "Vårt arbete med förorenade platser i Tjeckien visar bevis för episodisk remobilisering från skogsmark, särskilt under varma somrar och på platser som är mer utsatta för solljus, vilket orsakar den fotokemiska minskningen av kvicksilver och återutsläpp till atmosfären från tidigare lagrat kvicksilver."
"Vi vet att massutrotningshändelser var komplexa och långvariga händelser. Här visar vi att en blandning av växthusuppvärmning och föroreningar ledde till fortsatt ekosystemstörning. Kustnära ekosystem drabbades sannolikt mest av att ta emot stora mängder mobiliserat kvicksilver från stora avrinningsområden. områden."
"Slutligen återhämtade sig systemet under Sinemurian, när vi ser stabila skogbevuxna biomer dyka upp. Det är troligt att jorden vid den tiden hade städat upp röran, koldioxidnivåerna sjönk och kvicksilver begravdes för gott i havsbaserade marina sediment, " avslutar Bos.
Mer information: Remco Bos et al, Klimattvingad Hg-remobilisering associerad med ormbunksmutagenes i efterdyningarna av utrotningen i slutet av trias, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47922-0
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Utrecht University
