poniedziałek, 6 lutego 2012

Mech i pierwsze wielkie wymieranie

Mchy nie cieszą się jakimś szalonym wzięciem. Szczególnie kopalne. Nie są tak spektakularne jak dinozaury, ani tak popularne jak seks z neandertalczykiem. A jednak, okazuje się, że nie docenialiśmy roli mchu w dziejach Ziemi.
Mchy należą do tych roślin, które jako pierwsze zaczęły kolonizację lądów. Razem z wątrobowcami, mchy pojawiły się w środowisku lądowym już 470 mln lat temu, w środkowym ordowiku, przed roślinami naczyniowymi znanymi dopiero z końca ordowiku (ok. 450 - 445 mln lat temu).
Oczywiście, były to wciąż tereny dostatecznie wilgotne, ale pierwszy krok został wykonany. Roślina znajdowała się ponad wodą i mogły rozpocząć się subaeralne procesy wietrzeniowe prowadzące do powstania gleb.
Koniec ordowiku to także czas pierwszego wielkiego wymierania w dziejach Ziemi. Przyczyny tego wymierania nie do końca są poznane. Postulowano już różne pomysły, m.in. zabójcze promieniowanie gamma pochodzące z wybuchu supernowej w okolicach naszej części galaktyki (Melott et al., 2004).
Z drugiej strony, badania geochemiczne pokazują, że w ciągu ordowiku robiło się coraz chłodniej, aż do wystąpienia wielkiego zlodowacenia pod koniec. To właśnie tzw. hirnanckie zlodowacenie jest wśród głównych podejrzanych o dokonanie dzieła ordowickiego wymierania.

Jak mogło dojść do tego wielkiego zlodowacenia i wielkiego wymierania?
Przyczyną mogła być gwałtowna zmiana składu atmosfery, a konkretnie zawartości ditlenku węgla CO2 w atmosferze ziemskiej. Stężenie to ma się nijak do współczesnego, więc nie szukajcie analogii, bowiem pod koniec ordowiku było od 14 do 22 razy wyższe niż obecnie! Ostatecznie, w szczytowym momencie ordowickiego zlodowacenia i wielkiego wymierania stężenie CO2 było i tak 8 razy wyższe od dzisiejszego (Lenton et al., 2012).

Spadek zawartości CO2 tłumaczy się często wzrostem tempa wietrzenia (hydrolizy) krzemianów, które jest jednym z głównych procesów kontrolujących stężenie tego gazu w atmosferze. Krzemiany to najpospolitsza grupa minerałów, obejmująca prawie 90% wszystkich (np. kwarc, skalenie, oliwiny itd.). Wzrost wietrzenia krzemianów związany był z wypiętrzaniem się łańcuchów górskich pod koniec ordowiku podczas tzw. orogenezy takońskiej. Przypuszcza się, że wszystkie procesy tektoniczne zachodzące pod koniec ordowiku mogły doprowadzić do obniżenia zawartości CO2 do poziomu 12-krotności współczesnego stężenia. Wciąż jednak brakowało mechanizmu, który ściągnąłby to stężenie do 8-krotności obecnego stężenia, jak sugerują dane geochemiczne.
Wątrobowce, obok mchów, pierwsze skolonizowały lądy.
Na zdjęciu Conocephalum conicum (fot. Lairich Rig CC-BY-SA 2.0)
Przypuszczano, że za tym dodatkowym obniżeniem mogą stać rośliny lądowe, gdyż z końca ordowiku znany jest podwyższony dopływ fosforu do oceanów i związany z tym wzrost produkcji organicznej. Rośliny potrzebują do wzrostu składników mineralnych pochodzących z podłoża, takich jak wspomniany już fosfor, a także potas, wapń, magnez i żelazo. Przystosowały się więc do wyciągania tych składników z podłoża w procesach wietrzenia. Głównie dzięki korzeniom. Dość dobrze ten proces poznany jest u roślin naczyniowych i prześledzono jego rozwój w dewonie, kiedy doprowadził do zlodowaceń i drugiego z kolei wielkiego wymierania na granicy fran-famen (np. Retallack, 1997). Napisałem już, że dzięki korzeniom, no właśnie, i dlatego pierwsze mszaki i wątrobowce nie były w ogóle brane pod uwagę, ze względu na brak lub słaby system korzeniowy. Nb. nie miały go też pierwsze rośliny naczyniowe, dlatego kolejne wymieranie mamy dopiero pod koniec dewonu, kiedy lądy porastały już olbrzymie lasy archeopterisowe. Tak więc problem wpływu roślinności ordowickiej na obniżenie poziomu CO2 pozostawał nierozstrzygnięty z powodu braku kandydatów.

My jednak powróćmy do mchu, podobnie jak Lenton et al. (2012), którzy doszli do wniosku, że warto przyjrzeć się zdolnościom mchu do rozpuszczania podłoża skalnego. Okazało się, że mchy wytwarzają całą gamę kwasów organicznych, które przyspieszają wietrzenie krzemianów, uwalniając z nich mineralne składniki odżywcze typu glin, wapń, żelazo, potas i magnez. Z przeprowadzonych eksperymentów wynika, że szczególnie dobrze szło im na podłożu z andezytu, chociaż z granitami też nieźle sobie radziły.

Kiedy dodano przewidywany efekt wietrzenia krzemianów ordowickich przez mchy do wcześniejszych modeli, okazało się, że poziom CO2 spadł z 22-krotności do 8-krotności współczesnego poziomu. Czyli wszystko się zgadza. Mech i wątrobowce przyspieszyły mechanizm wietrzenia do tego stopnia, że skończyło się to zlodowaceniem i pierwszym wielkim wymieraniem pod koniec ordowiku.

ps. Dodatek dla dociekliwych: nie chciałem się tu za bardzo rozpisywać o ordowiku, ale historia Ziemi pokazuje, że nawet przy bardzo dużych stężeniach CO2 możliwe są wielkie zlodowacenia.

Źródła:
Lenton, T., Crouch, M., Johnson, M., Pires, N., & Dolan, L. (2012). First plants cooled the Ordovician Nature Geoscience, 5 (2), 86-89 DOI: 10.1038/ngeo1390

Melott, A., Lieberman, B., Laird, C., Martin, L., Medvedev, M., Thomas, B., Cannizzo, J., Gehrels, N., & Jackman, C. (2004). Did a gamma-ray burst initiate the late Ordovician mass extinction? International Journal of Astrobiology, 3 (1), 55-61 DOI: 10.1017/S1473550404001910

Retallack, G. (1997). Early Forest Soils and Their Role in Devonian Global Change Science, 276 (5312), 583-585 DOI: 10.1126/science.276.5312.583

fot. w nagłówku: P. Smith CC-BY-AS 3.0 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Moss_on_a_dry_stone_wall.jpg

9 komentarze:

Ciekawe, ileż to jeszcze lekceważonych "elementów", podobnych mchom, czeka w kolejce na uznanie jakiejś ich tam, mniej lub bardziej, znaczącej roli w dziejach? Co do samych mchów, to wystarczy je trochę poobserwować i zastanowić się, jakich to one nie potrafią porastać miejsc: ściany, dachy, rynny, drzewa, kamienie.. Ba, nawet regiony polarne im nie straszne. Są to chyba jedne z największych oportunistów. Swoją drogą, skoro nie lubią one światła słonecznego, ciekawi mnie jak mogło to wyglądać we wspomnianym czasie ordowiku, kiedy to stężenie CO2 było kilkakrotnie większe niż obecnie. Czy to mogło jakoś ograniczać promienie UV i sprzyjać mchom? Czy też ówczesne mchy miały inne „podejście” do Słońca? :)))

Wczesny paleozoik to w ogóle jest zagadka. Gdybyśmy przyjmowali współczesne kryteria (oczko w stronę aktualizmu), to przy takim ciśnieniu CO2 woda miałaby prawie 100 stopni. Zresztą na wykresach paleotemperatur branych z izotopów tlenu dla kambru to oscyluje coś koło 60 stopni, więc żadne życie oparte na białku by sie nie utrzymało. A jednak... Co UV to nie wiem, jaki wpływ ma ditlenek, jednak wielu badaczy sugeruje o wiele mniejsze nasłonecznienie w ordowiku (na poziomie 85-90%) procent współczesnego, jeśli dobrze pamiętam. Nie wiem natomiast jak sobie poradzić z tym cisnieniem CO2, byc może jest jakies przekłamanie w podawanych wartościach?

Należy pamiętać, że w tym czasie słońce było o jakieś 3,7% - 5.0% mniej jasne niż obecnie.

Źródło: Crowley, T. J., and S. K. Baum (1991), Toward Reconciliation of Late Ordovician (∼440 Ma) Glaciation With Very High CO2 Levels, J. Geophys. Res., 96(D12), 22,597–22,610, doi:10.1029/91JD02449.

Co tez napisałem w komentarzu powyżej :) Trochę przesadziłem, bo palnąłem z głowy 90%, ale tylko to chyba pod koniec protezoiku było. Dzięki za źródła :)

A i tak większość moich znajomych woli wiarę w katastrofy od wyginięcia dinozaurów poczynając (jakiś czas temu) do (współczesnego) Globalnego Ocieplenia Dwutlenkowego [tfu... Ditlenkowego].
Stanisław Nowak, Poznań

Jest jeszcze jedna kwestia. Używane przez nas koncentracje CO2 w Ordowiku pochodzą z modeli geochemicznych kalibrowanych na nielicznych pomiarach z paleozoli (gleb kopalnych). Problem w tym, że od dwóch lat wydaje się, że wyniki uzyskiwane z ich analizy są co najmniej dwukrotnie zawyżone.

A koncentracje CO2 w ordowiku około 4, zamiast 8, razy wyższe niż obecnie w połączeniu z ok. 4% słabszym Słońcem całkowicie wystarczą dla wytłumaczenia zlodowacenia. Te 4% to ponad 9 W/m2. Podwojenie CO2 to 4 W/m2 ale to działa logarytmicznie czyli "poczworzenie" to 8 W/m2. Czyli 4 razy większy CO2 wtedy oznacza minimalnie zimniejszą Ziemię niż jest obecnie. A przecież mamy epokę lodową w sensie geologii "głębokiego czasu" (Antarktyda i Grenlandia są pod lodem).

Źródło co do błędów analiz paleozoli: Breecker, Sharp, McFadden 2010 "Atmospheric CO2 concentrations during
ancient greenhouse climates were similar to those predicted for A.D. 2100", PNAS, 107, 576-580, http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0902323106

Zrobiłem mały searching w najnowszych pracach i mam:

Nicholas A. Rosenau, Achim D. Herrmann, Stephen A. Leslie, 2012. Conodont apatite δ18O values from a platform margin setting, Oklahoma, USA: Implications for initiation of Late Ordovician icehouse conditions. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, Volumes 315–316, 15 January 2012, Pages 172-180

Cytat stamtąd: Recent estimates of atmospheric
pCO2 during this time period were suggested to be around 8× PAL (Vandenbroucke et al., 2009), which numerical models suggest to be the threshold for ice-sheet initiation (Herrmann et al., 2003).

Cytują pracę sprzed Breecker, Sharp, McFadden 2010. Co do znaczenia tej ostatniej dla rozwiązania tego problemu patrz także towarzyszący mu artykuł Royer 2010, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0913188107

A co do tych modeli, które pozwalają na zlodowacenie przy 8x PAL to zacytuję wspomniana już pracę Crowley and Baum 1991, która szczerze przyznawała

"However, partial success is achieved only when parameter values are at the extreme end of their permissible range."

W tym kontekście konkluzja Herrmanna i innych 2003, mówiąca że:

"The ice-sheet model results with orbital forcing indicate that in order to initiate the growth of permanent ice sheets, the atmospheric pCO2 level must have fallen to 8 times PAL or below. This value is at the lower end of estimates of pCO2 levels for the Late Ordovician based on geochemical modeling (Berner and Kothavala, 2001) and geochemical data from paleosols (Yapp and Poths, 1992)"

wygląda na potwierdzenie, że 8x PAL to absolutna granica przy której da się wydusić z modelu zlodowacenie. Wyniki Breeckera i innych 2010 naprawdę ułatwiły nam życie.

PS. Jeśli potrzebujesz PDF-y którychś z dyskutowanych prac to pisz (email na moim blogu i zapewne przy moich komentarzach jeśli obejrzeć je z "kokpitu").

Ciekawy wpis, warto przybliżyć sobie historię takiej rośliny jak mech, szczególnie jak ktoś interesuje się tym tematem:) Pozdrawiam

Prześlij komentarz

Szanowni Czytelnicy!
Zachęcam Was gorąco do komentowania wpisów na blogu i jednocześnie zachęcam równie gorąco do korzystania z tagów HTML, szczególnie przy wklejaniu linków do stron internetowych.

Oto kilka przykładów tagów HTML obsługiwanych przez bloggera:
link - a href=
wytłuszczenie - b
kursywa - i