Per pastaruosius 539 mln. metų Žemės klimatas ir anglies ciklas kito netolygiai – ilgais laikotarpiais būdavo santykinai stabilios būsenos, o tarp jų vykdavo gana staigūs persitvarkymai. Vilniaus universiteto (VU) Chemijos ir geomokslų fakulteto geologas ir paleontologas profesorius Andrejus Spiridonovas ir jo vadovaujamas doktorantas Robertas Stankevičius kartu su tarptautine mokslininkų grupe nustatė penkis tokius ilgalaikius Žemės sistemos režimus.
Žurnale „Nature Communications“ paskelbtas tyrimas rodo, kad gyvybė buvo pažeidžiamiausia būtent pereinant iš vienos ilgalaikės klimato ir anglies ciklo būsenos į kitą. Šiais pereinamaisiais laikotarpiais išaugdavo biologinė įtampa, didėjo rūšių kaitos tempai ir išnykimo rizika.
„Masiniai rūšių išnykimai Žemės istorijoje dažniausiai siejami su konkrečiomis katastrofomis: milžiniškais ugnikalnių išsiveržimais, staigiu klimato atšilimu, deguonies stygiumi ir rūgštėjimu vandenynuose ar asteroidų smūgiais. Tačiau mūsų tyrimas siūlo į šiuos įvykius pažvelgti plačiau“, – sako prof. A. Spiridonovas.
Jo aiškinimu, ilgalaikė klimato būsena, arba megaklimatas, lemia, kaip Žemės sistema ir biosfera reaguoja į daug greitesnius sutrikimus, pavyzdžiui, staigų atšilimą ar anglies dioksido koncentracijos padidėjimą. Skirtingais geologiniais laikotarpiais Žemės sistemos jautrumas tokiems pokyčiams buvo nevienodas. Tyrimas parodė, kad gyvybė buvo pažeidžiamesnė ilgalaikio karšto klimato sąlygomis, todėl vien žinoti tiesioginį krizės sukėlėją nepakanka – svarbu suprasti ir tai, kokios būsenos tuo metu buvo visa Žemės sistema.
Tyrėjai pabrėžia, kad perėjimas tarp klimato režimų nebuvo tiesioginė kiekvieno masinio išnykimo priežastis. Ilgalaikė klimato ir anglies ciklo sandara veikiau formavo bendrą biosferos pažeidžiamumo foną, nuo kurio priklausė, kaip smarkiai gyvybė reagavo į vulkanizmą, greitą atšilimą, vandenynų pokyčius ar asteroido smūgį.
Mokslininkai analizavo pastaruosius 539 mln. metų – visą fanerozojaus eoną, per kurį vystėsi ir įvairėjo sudėtinga gyvybė. Jie sujungė anglies ir deguonies stabiliųjų izotopų duomenis, senovinės temperatūros bei atmosferos anglies dioksido rekonstrukcijas ir jūrinių organizmų biologinės įvairovės istoriją.
„Taikydami rekurencijos analizę, kritinių pokyčių ankstyvojo perspėjimo rodiklius ir matematinį klimato bei anglies ciklo modelį, išskyrėme penkis ilgalaikius megaklimato režimus. Žemės sistema juose išsilaikydavo dešimtis ar net šimtus milijonų metų, o vėliau pereidavo į kitą santykinai stabilią būseną“, – aiškina prof. A. Spiridonovas.
Šie režimai apėmė labai skirtingus Žemės istorijos etapus – nuo ankstyvojo paleozojaus šiltnamio klimato ir vėlyvojo paleozojaus ledynmečio iki mezozojaus šiltnamio ir vėlesnio kainozojaus vėsėjimo.
Tyrėjai šias būsenas pavadino „Haggis“ intervalais. Pavadinimą įkvėpė tradicinis Škotijos patiekalas ir margą, blokinę struktūrą primenantys duomenų rekurencijos (būsenų atsikartojimų) grafikai.
Mokslininką labiausiai nustebino tai, kaip aiškiai iš kitų Žemės istorijos etapų išsiskyrė kambro ir ordoviko periodai. Būtent tuo metu atsirado daugelis pagrindinių dabartinių gyvūnų tipų, o biosferos pažeidžiamumas buvo didžiausias: „Rekurencijos grafikuose pamatėme, kad kambro ir ordoviko periodų anglies ciklo būsena buvo iš tiesų išskirtinė. Likę maždaug 450 mln. fanerozojaus metų, pradedant vėlyvojo ordoviko masiniu išnykimu, buvo gerokai labiau pasikartojantys. Tikėtina, kad tai susiję su sausumos augalų atsiradimu ir įsitvirtinimu žemynuose, nes jie iš esmės pakeitė anglies apytaką Žemės sistemoje.“
Siekdami įvertinti gyvybės būklę skirtingais laikotarpiais, mokslininkai apskaičiavo biosferos pažeidžiamumo rodiklį. Jis apima ne tik išnykimo tempą, bet ir naujų taksonų atsiradimą, bendrą organizmų kaitą bei tuo metu egzistavusią biologinę įvairovę.
„Didelis rodiklis reiškia, kad biosfera sparčiai persitvarko: vienos organizmų grupės nyksta, kitos atsiranda ar jas pakeičia. Paprastai aplinkos stresas pirmiausia siejamas su išnykimais, tačiau jį gali rodyti ir spartus naujų rūšių ar genčių atsiradimas. Staigiai pasikeitus aplinkai, rūšis gali išnykti, tačiau izoliuotos jos populiacijos taip pat gali greitai prisitaikyti prie naujų sąlygų ir ilgainiui tapti naujomis rūšimis. Todėl pažeidžiamumo rodiklis apima visą taksonų kaitą ir ją vertina bendros biologinės įvairovės kontekste: kuo įvairovė didesnė, tuo platesnė ekologinė erdvė, kurioje gali egzistuoti gyvybė. Sparčiai persitvarkanti biosfera patiria didesnę makroevoliucinę įtampą ir gali jautriau reaguoti į papildomus aplinkos sutrikimus“, – aiškina prof. A. Spiridonovas.
Pasak pašnekovo, pažeidžiamumo pikai sutapo beveik su visais tyrime vertintais padidėjusio išnykimo laikotarpiais, įskaitant vadinamąjį didįjį penketą – penkias didžiausias masinio išnykimo krizes fanerozojaus istorijoje. Ryškūs pažeidžiamumo šuoliai užfiksuoti ankstyvajame bei viduriniame paleozojuje ir ties permo ir triaso riba, kai įvyko didžiausias žinomas masinis rūšių išnykimas.
Be to, tyrimas parodė didelius skirtumus tarp ilgalaikių klimato būsenų. Šilto ankstyvojo kambro laikotarpiu biosfera buvo nuolat gana pažeidžiama, o apskritai vėsiame kainozojuje jos pažeidžiamumas buvo mažiausias. Tai leidžia manyti, kad ilgalaikės temperatūros ir klimato sistemos ribos prisidėjo formuojant bendrą išnykimo rizikos foną.
Iki šiol masinės išnykimo krizės dažnai būdavo tiriamos kaip atskiri įvykiai, daugiausia ieškant jų tiesioginio sukėlėjo. Naujoji sistema leidžia atskirti du dalykus: konkretų krizę sukėlusį įvykį ir ilgalaikes aplinkos sąlygas, dėl kurių biosfera tuo metu galėjo būti ypač jautri.
„Ilgalaikiai klimato režimai sukurdavo tam tikrą bazinį biologinės įtampos lygį. Trumpesni klimato svyravimai ir katastrofiniai įvykiai veikė jau šių sąlygų suformuotoje aplinkoje. Todėl stipri biologinė krizė galėjo kilti ir neįvykus visos klimato sistemos persitvarkymui, tačiau jos poveikis priklausė nuo ankstesnės sistemos būklės“, – sako VU mokslininkas.
Tyrimo autoriai pažymi, kad jų sukurta sistema skirta pasauliniams ir tarpregioniniams duomenų rinkiniams, o ne pavieniams geologiniams pjūviams. Senieji geologiniai duomenys yra nevienodos raiškos, juose pasitaiko spragų ir chronologinių neapibrėžtumų, todėl nustatytų režimų ribas ir jų ryšį su įvairiomis biologinėmis krizėmis dar reikės tikrinti papildomais tyrimais.
Ateityje šį metodą būtų galima pritaikyti atskiroms organizmų grupėms, ekosistemoms, regionams ir skirtingiems geologiniams laikotarpiams. Tai padėtų išsiaiškinti, kurios gyvybės formos buvo jautriausios klimato sistemos persitvarkymams ir ar tas pats aplinkos poveikis skirtingų ilgalaikių Žemės būsenų laikotarpiais iš tiesų sukelia nevienodo masto biologinius padarinius.
Tyrimą atliko mokslininkai iš VU, Atvirojo universiteto Jungtinėje Karalystėje, Naujosios Meksikos universiteto, Potsdamo klimato poveikio tyrimų instituto, Potsdamo universiteto ir Jungtinės Karalystės nacionalinės fizikos laboratorijos. Prof. A. Spiridonovas prisidėjo formuluojant bendrą metodinę prieigą, skirtą klimato būsenoms susieti su makroevoliuciniais rodikliais, taip pat pasiūlė biosferos pažeidžiamumo sampratą, ją formalizavo ir atliko empirinius skaičiavimus. Doktorantas R. Stankevičius atliko tyrimui svarbią rekurencijos analizę ir prisidėjo kuriant naujus klimato bei evoliucijos būsenų atsikartojimo vertinimo metodus.
Tyrimas buvo pradėtas tarptautinėje mokslinėje darbo grupėje Edinburge, kurią rėmė Izaoko Niutono matematinių mokslų institutas (The Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences) ir Tarptautinio matematikos centro Matematikos žmonijai programa (Mathematics for Humanity, ICMS). Lietuvių mokslininkus šiame tyrime rėmė Lietuvos mokslo taryba (LMT) pagal projektą S-MIP-24-62 „BretEvoGeneralized“.
About the Author
