Что произошло в океане после падения астероида, погубившего динозавров

Шестьдесят шесть миллионов лет назад падение крупного астероида на полуостров Юкатан вызвало глобальную экологическую катастрофу. В результате удара и масштабных лесных пожаров в атмосферу попали миллиарды тонн пыли, сажи и соединений серы. Эти вещества надолго заблокировали солнечный свет, из-за чего на планете резко похолодало. Данный период в истории Земли называют «ударной зимой». На суше это событие привело к исчезновению динозавров, но в океане развернулась не менее масштабная драма.

Палеонтологические данные показывают, что вымирание морских организмов происходило крайне неравномерно. Некоторые группы одноклеточных, такие как планктонные фораминиферы и известковый нанопланктон, исчезли почти полностью. В то же время другие микроорганизмы — например, диатомовые водоросли и динофлагелляты — перенесли катастрофу без существенных потерь. Долгое время ученые пытались понять, почему одни обитатели океана полностью вымерли, а другие смогли выжить в тех же условиях.

Несостоявшиеся теории: закисление и голод

Для объяснения этой избирательности исследователи выдвигали разные версии. Одной из основных гипотез было закисление океана из-за выброса серы и углекислого газа. Предполагалось, что кислая среда растворяла известковые раковины планктона, что и привело к его гибели. Однако детальный анализ геологических слоев показал, что уровень кислотности воды в тот период изменился незначительно. В истории Земли были периоды гораздо более сильного закисления океана, но они не приводили к столь мгновенному и избирательному исчезновению видов.

Другая теория предполагала полный коллапс пищевой цепи из-за прекращения фотосинтеза — процесса, при котором растения производят органические вещества под действием света. Считалось, что отсутствие света привело к прекращению роста растительного планктона, что вызвало голодную смерть животных видов. Но геологические находки опровергли и это предположение: падение продуктивности океана было умеренным и происходило неравномерно в разных частях планеты. Следовательно, для объяснения вымирания требовалось найти другой, более точный механизм.

В чем ошибались компьютерные модели

До недавнего времени ученые не могли воссоздать эти события на компьютерных моделях. Существующие программы для симуляции процессов в океане создавались для изучения круговорота химических элементов, а не для анализа биологической эволюции. В этих моделях популяция микроорганизмов не могла исчезнуть окончательно. Даже если количество планктона снижалось до критического минимума, программа автоматически восстанавливала его численность, как только условия среды улучшались.

В реальной природе все происходит иначе. Популяция любого вида состоит из отдельных особей. Если плотность популяции падает ниже определенного уровня, организмы теряют возможность находить пищу и воспроизводить потомство. В этот момент вид исчезает навсегда.

Группа исследователей под руководством Жуя Ина из Бристольского университета решила исправить этот недостаток. Они использовали современную модель океана EcoGENIE и внедрили в нее математический механизм вымирания. Они установили жесткий порог биомассы для каждого вида планктона. Если численность группы падала ниже этого порога, программа фиксировала полную гибель этой ветви.

Физиология выживания: почему крупным быть опасно

Главным параметром, который определил выживание планктона в новой модели, стал размер тела организмов. В биологии существует зависимость между объемом клетки и количеством энергии, которая требуется для поддержания ее жизнедеятельности.

Крупным клеткам необходимо получать из окружающей среды много питательных веществ и энергии просто для того, чтобы обеспечивать работу своих внутренних структур. Мелкие организмы тратят на базовые процессы жизнедеятельности ничтожно мало ресурсов. Из-за этого порог выживания у мелких видов планктона находится на очень низком уровне, а у крупных — на высоком.

Когда после падения астероида наступила темнота, приток энергии в океан практически прекратился. Крупные виды планктона быстро израсходовали свои внутренние ресурсы и начали гибнуть, так как не могли найти достаточно пищи для покрытия своих высоких энергетических затрат. Мелкие виды, напротив, смогли пережить период дефицита ресурсов именно благодаря своей скромной потребности в энергии.

Как ученые вычислили главного убийцу

Чтобы доказать эту гипотезу, авторы исследования провели серию чувствительных экспериментов на компьютерной модели. Они поочередно отключали разные последствия падения астероида, чтобы оценить влияние каждого фактора в отдельности.

Сначала ученые проверили влияние температуры. Они запустили модель в условиях резкого похолодания воды, но оставили уровень солнечного света прежним. Результат показал, что большинство видов планктона успешно адаптировались к холоду и продолжили размножаться. Понижение температуры замедлило их рост, но не вызвало массового вымирания.

Затем исследователи провели обратный эксперимент: они сохранили высокую температуру воды, но полностью отключили солнечный свет на несколько лет. В этом случае модель показала практически мгновенное вымирание большинства крупных видов планктона, очень близкое к тому, что зафиксировано в палеонтологической летописи. Это доказало, что именно отсутствие света, а не холод, послужило главной причиной экологической катастрофы в океане.

Модель также объяснила, почему планктон в приполярных областях пострадал гораздо меньше, чем в районе экватора. Жители высоких широт изначально приспособлены к сезонной смене дня и ночи, включая долгие периоды полярной зимы. В этих организмах от природы заложено больше светочувствительных пигментов, что позволяет им выживать в условиях глубоких сумерек. Экзотический экваториальный планктон, привыкший к постоянному яркому солнцу, погиб при первых признаках темноты.

Способ питания: универсалы против специалистов

Вторым важным фактором выживания стал способ получения энергии. Все микроорганизмы в океане делятся на три основные группы по типу питания:

1. Автотрофы — организмы, которые производят питательные вещества исключительно с помощью фотосинтеза на солнечном свету. К ним относится большинство водорослей.
2. Гетеротрофы — организмы, которые не умеют использовать солнечный свет и питаются только готовой органикой (другими клетками или их остатками).
3. Миксотрофы — организмы со смешанным типом питания. Они могут осуществлять фотосинтез на свету, но при его отсутствии переключаются на поглощение бактерий и мелких органических частиц.

В условиях многолетней темноты чистые автотрофы оказались обречены на гибель. Из этой группы выжили только самые мелкие виды и те, что могли переходить в состояние покоя (цисты).

Миксотрофы же продемонстрировали высокую гибкость. Когда солнечный свет исчез, они прекратили фотосинтез и начали активно поедать бактерии и остатки погибших организмов, которых в воде было в избытке. После возвращения солнечного света именно миксотрофы быстро заполнили опустевшие экологические ниши и стали доминирующей группой в океане.

Тяжелее всего пришлось планктонным фораминиферам. Эти организмы не способны к фотосинтезу и строят известковые раковины. Процесс создания раковины требует огромного количества энергии, которую фораминиферы получают, поедая мелкий планктон. Поскольку их пищевой ресурс исчез, а затраты на строительство скелета оставались высокими, эта группа подверглась стопроцентному вымиранию в модели, что полностью соответствует геологическим находкам.

Последствия для планеты

Массовая гибель крупного планктона нарушила работу важнейшего глобального процесса — переноса углерода на глубину. В нормальных условиях крупные организмы после смерти быстро опускаются на дно под действием силы тяжести, унося с собой углерод и надолго исключая его из атмосферного цикла. Этот процесс удерживает химический баланс планеты.

После катастрофы, когда в океане остались только мелкие организмы, скорость оседания органики резко снизилась. Эффективность переноса углерода упала на 30%. Углекислый газ стал дольше задерживаться в атмосфере, что затормозило восстановление климата.

Хотя общая масса живых организмов в океане восстановилась довольно быстро за счет мелкого планктона и бактерий, его качественный состав оставался деформированным. На то, чтобы в океане снова появились крупные виды и восстановилась прежняя структура пищевых связей, природе потребовалось несколько миллионов лет.

Это исследование помогает понять, как фундаментальные законы физиологии определяют устойчивость жизни к глобальным изменениям. Опыт прошлого показывает, что при резких изменениях внешней среды первыми под удар попадают крупные и узкоспециализированные организмы с высокой потребностью в энергии. Выживают мелкие и неприхотливые универсалы, способные быстро менять свои привычки ради адаптации к новым реалиям.

Источник: Nature