College van de maand: The big five

Iedereen heeft er wel van gehoord, the big five. Alleen doel ik deze keer niet op de prachtige beesten in Afrika maar op de geologische big five, de massa extincties uit het verleden. Waardoor werden ze veroorzaakt? Hoe kwam het leven er steeds weer bovenop? Om daar achter te komen moeten we eerst begrijpen wat een massa extinctie precies is. Tot ongeveer 1980 geloofden geologen over het algemeen in de theorie van uniformitariteit, het idee dat leven langzaam verandert en verdwijnt.

Vanaf 1980 ontstond er echter een verschuiving in dit denkbeeld door de publicatie van een paper door Luiz en Walter Alvarez dat liet zien dat in sedimenten waar een hoog sterfte aantal werd waargenomen ook veel Iridium aanwezig was, het element dat veel in meteorieten voorkomt. Sindsdien neemt de theorie van Catastrofe de overhand, het idee dat het leven door een bepaalde gebeurtenis in zeer korte tijd grotendeels kan verdwijnen. Wanneer er een groot deel van het leven verdwijnt en voelbaar is onder alle soorten en in alle biotopen overal op aarde dan noemen we zo’n gebeurtenis een massa-extinctie.

De eerste massa extinctie die geologen erkennen, vond plaats aan het einde van het Ordovicium zo’n 445 miljoen jaar geleden waarbij ongeveer 85% van al het leven uitgeroeid werd (fig. 1). Waar de temperaturen tijdens het Ordovicium tropisch waren, ontstond er aan het eind van het Ordovicium een ijstijd op de continenten Afrika en Zuid-Amerika die destijds vlakbij de zuidpool lagen en onderdeel waren van het supercontinent Grondwana (fig. 2). De reden dat er een levensverwoestende ijstijd kon ontstaan op het zuidelijk halfrond is ironisch genoeg dat het zo goed ging met het leven. Hoe meer reproductie er was, hoe meer marine organismen CO₂ konden opnemen voor hun skeletten. Hierdoor namen de broeikasgassen in de atmosfeer genoeg af om de temperatuur te laten zakken en ijskappen op aarde te kunnen vormen.

Het uitsterven bestond uit twee pulsen. Aan het begin van de ijstijd stierven veel soorten uit vanwege het terugtrekken van de zeespiegel door de vorming van het ijs waarbij veel ondiepe biotopen droog kwamen te liggen en diepzeestromingen verstoord werden. De overlevende soorten pasten zich aan het nieuwe klimaat aan maar dit bleek catastrofaal toen de ijstijd ook weer plotseling ophield en de temperatuur samen met het zeeniveau terugkwamen naar de oorspronkelijke hoogte. Het verdwijnen van de ijskappen komt door verschuiving van Grondwana.

Het supercontinent verschoof naar een hogere latitude waar het warmer was. Hierdoor smolt het ijs genoeg om een omgekeerd albedo effect in gang te zetten en terug te keren naar eenzelfde staat als voor de afkoelende periode. Na deze twee verwoestende uitstervingspulsen deed het leven er 100 miljoen jaar over om weer terug te komen op het niveau van voor de ijstijd. Kenmerkend is dat veel van de nieuw ontstaande soorten gelijkenissen vertoonden met levensvormen die de ijstijd niet hebben overleefd.

De tweede massa extinctie die als zodanig is erkend in ‘The big five’ vond plaats aan het einde van het Devoon 375 miljoen jaar geleden (fig. 1). Met deze massa extinctie is iets raars aan de hand. De ratio van het verdwijnen van levensvormen laat in deze periode geen drastische piek zien ten opzichte van de rest van het Devoon, maar juist een abnormaal lage mate van specificatie (het ontstaan van nieuwe soorten). Dit resulteerde in een afnemende biodiversiteit. Om een beeld te schetsen over de ernst van de situatie, in het midden Devoon waren koraalrifsystemen de uitgebreidste in de geschiedenis van de aarde omdat riffen goed herstelden van de Ordovicium massa extinctie. Door het uitblijven van nieuwe soorten namen de riffen af met een factor 5000 aan het eind van het Devoon. Een serie van snel afwisselende klimaatveranderingen zoals zeespiegel schommelingen, opwarming van de oceanen, diep mariene anoxische periodes en koolstof opname door planten resulterend in afnemende temperatuur worden over het algemeen beschouwd als de reden voor het grotendeels uitblijven van nieuwe stabiele soorten en zelfs het afnemen in formaat van bestaande soorten. Net als in de huidige tijd konden aan het eind van het Devoon veel soorten zich niet snel genoeg aanpassen aan de klimaatverandering en verdwenen daardoor. Gelukkig werd het klimaat aan het begin van het Carboon weer stabieler waardoor de overlevende organismen de tijd kregen om te herstellen en floreren waardoor er ook weer nieuwe speciatie plaatsvond.

De derde en grootste massa extinctie vond plaats tussen 259 en 252 miljoen jaar geleden aan het eind van het Perm (fig. 1). In pulserende intervallen stierf 90% procent van het leven uit. De eerste uitstervingspuls vond plaats aan het eind van het Carpetian (etage in het Perm). In sedimenten uit deze periode bevinden zich recordaantallen marine organismen die in de jongere stratigrafische opeenvolging niet meer terugkeren. De bekendste sedimenten met dit verschijnsel zijn gevonden in China waar gedetailleerde studies worden uitgevoerd op met name conodonten. (Visachtigen die door hun ontwikkeling goed te herkennen zijn). De tweede puls vond plaats in het Changhsingian (laatste etage van het Perm). Ondanks dat wetenschappers het nog niet met elkaar eens zijn over de precieze oorzaak van de massa extinctie zijn er wel een aantal catastrofale gebeurtenissen die in tijd overeenkomen, zoals de vorming van supercontinent Pangea, de daaraan verwante zeespiegel regressie, anoxische zeeën, hoge concentraties broeikasgassen en de Siberian Traps (grote continentale vulkanische provincie). Al deze gebeurtenissen hebben ongetwijfeld grote invloed op het leven maar momenteel zijn de Siberian Traps de favoriete zondebok. Hoe kan het ook anders, met een oppervlakte van 5 miljoen km² en inhoud van 3 miljoen km³ aan uitvloeibasalten spannen de Siberian Traps de kroon in vulkanische activiteit in de Aardse geschiedenis (fig. 3).
Mocht u de impact van deze inhoud niet kunnen bevatten; het is genoeg om heel huidig China te bedelven onder een laag van 300 m basaltgesteente.

Het is dan ook begrijpelijk dat gedurende eind Perm immense concentraties aan CO₂ en methaan de atmosfeer in geslingerd werden waardoor het broeikaseffect gigantisch steeg. Tegen het einde van de massa extinctie is het leven er slecht aan toe. Door de uitroeiing van 90% van het leven waaronder ook veel plantensoorten is het zuurstofgehalte niet hoog. Gelukkig floreren stromatolieten en andere primitieve algensoorten in deze barre condities en voorzien de aarde net als tijdens ‘The great oxydation Event’ in het Cambrian van zuurstof. Hierdoor kregen andere levensvormen die moeite hadden met overleven zoals schelpdieren ook een kans om er bovenop te krabbelen en zich weer opnieuw uit te breiden.

De vierde massa extinctie
Het interval tussen de grootste massa extinctie en haar opvolger is maar een magere 50 miljoen jaar en daarmee ook het kortste interval tussen opvolgende massa extincties. Aan het eind van het Trias, rond 201 miljoen jaar geleden, gaat het weer mis (fig. 1). Net als in het Ordovicium en het Perm zijn er ook tijdens het Trias twee pulsen van uitstervingen. De eerste puls, waarbij veel marine organismen het loodje leggen wordt toegeschreven aan klimaatverandering. In een korte tijd steeg het CO₂ gehalte in de atmosfeer naar vier keer dat van voorheen, met het gevolg dat de temperatuur 3-4°C steeg. Zo’n 10.000 jaar later begon het vulkanisme van een nieuwe continentale vulkanische provincie: de Central Atlantic Magmatic Province (CAMP). Door de hoeveelheid vulkanische as die de atmosfeer in geschoten werd, ontstond er een laag die weinig zonlicht doorliet en waardoor de temperatuur op aarde weer afkoelde. Of de stijging in het CO₂ gehalte verwant is aan vroege ontgassing van deze vulkanische activiteit is vooralsnog speculatief. Desalniettemin had de vulkanische activiteit, ondanks dat het maar een fractie was van de Siberian Traps, een gigantische impact op het terrestrische leven. Sporenonderzoek wijst uit dat plantensoorten de eerste waren die te lijden hadden onder CAMP, met als gevolg dat later ook veel planteneters verdwenen door een gebrek aan voedsel en er een kettingreactie ontstond in de rest van de voedselketen.

De vijfde en laatste massa extinctie van de ‘Big five’ is de massa extinctie die de meeste van ons het beste kennen en zorgde voor het uitsterven van de dinosauriërs. Deze catastrofale gebeurtenis vond plaats aan het eind van het Krijt zo’n 65 miljoen jaar geleden en verwoestte 75% van het leven op aarde (fig. 1). Er wordt nog steeds gediscussieerd over de mogelijke bijdrage van de Deccan Traps continentale vulkanische provincie in India aan deze verwoesting. Toch is het tegenwoordig algemeen bekend dat een meteorietinslag met een doorsnede van 10 km die plaatsvond in Mexico gecorreleerd kan worden aan de timing van de massa extinctie. Het bewijs voor de timing van de inslag is te vinden in een goed te dateren Iridium laag in gesteenten op veel plekken op aarde. Maar waarom is een inslag op één plek op aarde zo dodelijk? Tijdens de impact vonden er enorme aardschokken plaats die wereldwijd voelbaar waren en tsunami’s veroorzaakten. Ook kwam er een enorme hitte en gassen vrij vanwege de kracht van de impact waardoor al het leven in de buurt van de inslag meteen overleed. De impact zelf was dus geen pretje, maar ook de periode na de impact was zwaar. Het stof dat tijdens de impact de atmosfeer in geslingerd werd is daar jaren blijven hangen en had een afkoelend effect op de aarde waardoor de temperaturen daalden en er weinig direct zonlicht was. De gassen die vrijkwamen tijdens de impact zorgden voor zure regen en dat de oceanen verzuurden, is iets waar veel organismen slecht tegen kunnen. Dit alles bij elkaar heeft ervoor gezorgd dat de meteorietinslag nog jaren na de daadwerkelijke gebeurtenis invloed heeft gehad op het klimaat op aarde. Omdat we hier spreken over effecten die intens voelbaar zijn direct na de inslag had het leven geen enkele tijd om zich aan te passen. Alleen wezens die al een verscholen leven leefden en de wezens die goed uit de voeten konden met extreme klimaatomstandigheden konden deze impact overleven en evolueren naar het leven dat wij heden ter dagen op aarde kennen.

1. Gesmolten gesteente wordt de lucht in geblazen door de impact en regent uit in de omgeving.
   
   
2. De schokgolven ontstaan tijdens impact reizen over de oceanen en vormen grote tsunami's in kustgebieden over de hele wereld terwijl ontgassing blijft plaatsvinden in de impact krater.
   
   
3. De schokgolven zijn de hele aarde overgegaan en keren uiteindelijk terug op de plek van oorsprong, door de energie die bij de impact is vrijgekomen is een krater met kraterringen ontstaan. Het gesteente blijft nog een tijd lang gesmolten.