Temperature-dependent hypoxia explains biogeography and severity of end-Permian marine mass extincti

Интенсивная вулканическая активность и выбросы парниковых газов в атмосферу привели к быстрым изменениям климата на рубеже перми и триаса, около 252 миллионов лет назад. Это привело к крупнейшему в истории Земли вымиранию. Согласно новому исследованию, проведённому Джастином Пенном (Justin Penn) и его коллегами из Университета Вашингтона и Стэнфордского университета, вымирание в океане было вызвано именно глобальным потеплением, из-за которого в воде упало содержание кислорода. Согласно сценариям антропогенных выбросов, к 2100 году потепление в верхних слоях океана приблизится к 20%, а к 2300 году оно достигнет 35-50% от уровня тех времён. 

Предполагается, что изменение климата, вызванное вулканическими парниковыми газами, вызвало крупнейшее массовое вымирание в истории Земли в конце пермского периода (~252 миллиона лет назад). Геохимические данные оказывают мощную поддержку быстрому глобальному потеплению и сопутствующей потере кислорода в океане (O2), однако количественная связь между климатом, особенностями видов и вымиранием отсутствует. Чтобы проверить, могут ли потепление и потеря O2 механистически объяснить массовое вымирание морской среды, мы объединили моделирование климата с установленной экофизиологической основой для прогнозирования биогеографических моделей и степени вымирания. Эти прогнозы были подтверждены пространственным анализом морских ископаемых останков.

ОБОСНОВАНИЕ

Воздействие изменения климата на морское биоразнообразие зависит как от его масштабов, так и от различных биологических особенностей видов. Допуски морских животных к потеплению и потере О2 физиологически взаимосвязаны и могут быть представлены в виде одного показателя: соотношения температурно-зависимых уровней предложения и спроса на О2. Это соотношение, называемое метаболическим индексом (?), измеряет объем аэробной активности в окружающей среде и определяется условиями океана, а также термическими и гипоксическими характеристиками чувствительности, которые различаются у разных видов. Если потепление климата и потеря O2 уменьшат ? ниже видоспецифического минимального требования для устойчивой экологической деятельности (?crit), океан больше не будет поддерживать активный аэробный метаболизм и, следовательно, долгосрочное сохранение популяции.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Мы смоделировали глобальное потепление, вызванное парниковым газом, в конце Перми, используя модель климата Земли и связанные биогеохимические циклы, которые соответствуют геохимическим прокси-данным. Обусловленное этим повышение уровня парниковых газов в атмосфере повышает температуру приповерхностного океана более чем на ~10°C и почти на 80% истощает глобальные уровни морского O2.

Чтобы спрогнозировать влияние этих изменений на среду обитания и выживаемость животных, мы измерили частоты признаков метаболического индекса у различных живых видов и использовали их для определения набора модельных экофизиотипов. Мы заселили модельный Пермский океан каждым экофизиотипом везде, где условия обеспечивают жизнеспособную среду обитания (? ? ?crit), создавая океан с разнообразными, локально адаптированными экофизиотипами во всех регионах. Однако в условиях изменения климата потепление океана увеличивает метаболический спрос на О2 на фоне снижения предложения; это устраняет большие доли глобальной аэробной среды обитания для подавляющего большинства экофизиотипов и подразумевает высокую вероятность вымирания. Мы смоделировали результирующее массовое вымирание экофизиотипов и обнаружили устойчивую географическую картину: интенсивность вымирания должна была быть ниже в тропиках, чем в высоких широтах. Причина более низкого тропического вымирания заключается в том, что организмы, первоначально населяющие эти теплые среды с низким содержанием O2, могут лучше использовать эти условия, когда они возникают в глобальном масштабе, в то время как среды обитания более полярных видов полностью исчезают.

Для проверки географической селективности вымирания модели мы сравнили предсказания модели с пространственно явными реконструкциями вымирания рода из морской ископаемой летописи. Мы обнаружили, что в различных таксономических группах наблюдаемая интенсивность вымирания действительно увеличивается с широтой, что согласуется с прогнозируемым признаком потери аэробной среды обитания. Сравнение модели с ископаемой летописью предполагает, что зависящая от температуры гипоксия может составлять более половины наблюдаемой величины регионального вымирания (т. е. экстирпации).

ВЫВОД

Потепление океана и потеря O2, смоделированные в модели земной системы изменения климата в конце Перми, означают повсеместную потерю аэробной среды обитания среди типов животных с различными тепловыми и гипоксическими допусками. Прогнозируется, что в результате вымирания наиболее сильно будут отобраны высокоширотные виды, биогеографическая ниша которых исчезает в глобальном масштабе. Совокупные физиологические нагрузки потепления океана и потери O2 в значительной степени объясняют пространственную картину и масштабы вымирания, наблюдаемые в ископаемой летописи “Великого вымирания"."Эти результаты подчеркивают будущий риск вымирания, возникающий в результате истощения аэробных возможностей океана, которое уже осуществляется.

Воздействие парниковых газов в модели климата Земли в конце Перми приводит к потеплению океана (контуры) и потере кислорода, которые соответствуют геохимическим прокси-данным. Потепление океана повышает организменный спрос на O2 на фоне снижения предложения. В результате потеря аэробной среды обитания для различных физиологий приводит к массовому вымиранию в модельных типах животных (линия), чья географическая сигнатура-повышенная тяжесть за пределами тропиков-согласуется с реконструкциями из морской ископаемой летописи (круги).

Источник: science.sciencemag.org