Моделирование планетарного массового вымирания в теплице Санта-Крус

САНТА КРУЗ –

Когда идут плохие дни, трудно превзойти то, что было 66 миллионов лет назад, когда космический камень размером с Париж врезался в Землю со скоростью 45 000 миль в час.

Тепло удара породило массивные пожары, которые уничтожили все вокруг и отправили в атмосферу колоссальные шлейфы загрязняющих веществ. В течение дня или двух ядовитые облака измельченной породы, сульфатных аэрозолей и сажи от лесных пожаров покрыли планету, блокируя всю солнечную энергию, кроме крошечной части, и фактически остановив фотосинтез на единственный известный раз в истории.

Ни одно событие ни до, ни после не разрушило так основательно основные процессы, которые делают жизнь здесь возможной. Земля стала темный, ядовитый пейзаж мертвой растительности, заваленной обугленными тушами динозавров, птерозавры и другие существа.

К тому времени, когда закончилось мелово-палеогеновое, или K/Pg, вымирание, около трех четвертей видов, живших во время удара, исчезли навсегда.

В конце концов из детрита появились первые зеленые ростки жизни. Никто точно не знает, когда появились эти первые почки, но летопись окаменелостей говорит нам, что это были папоротники. Многие из них.

гибель динозавров привлекает все внимание, но выживание растений — не менее важная глава в истории планеты. Почему папоротники процветали, когда почти все остальное было уничтожено? И что их необычайная стойкость может рассказать нам о том, как сегодняшние экосистемы могут жить после очередного катаклизма?

К счастью, «на самом деле не так уж сложно смоделировать массовое вымирание», сказал он. Эмили Сессасистематик растений Нью-Йоркского ботанического сада в Бронксе.

Именно этим занимается ее команда.

Сесса является главным исследователем проекта, финансируемого НАСА, по изучению восстановления папоротников в мире после вымирания. Сравнивая ископаемые свидетельства с наблюдениями за растениями в условиях, подобных апокалипсису, команда надеется лучше понять, как эта скромная флора накопила один из самых впечатляющих послужных списков выживания на Земле и как ее сила катализировала восстановление остальной части планеты.

Работа привлекла внимание НАСА, которое давно заинтересовано в понимании факторов, вызывающих эволюцию и вымирание на этой планете — и, возможно, на других.

«Понимание реакции папоротников на этот огромный катаклизм может быть очень информативным», — сказал он. Доктор Линдси Хейс, ведущий сотрудник исследовательской программы экзобиологии НАСА. Она сказала, что надеется, что эксперимент даст новое представление о том, как события, завершающие эпоху, «могут быть важными движущими силами жизни в другом месте».

Амбициозное исследование началось с наброска на обратной стороне коктейльной салфетки в баре отеля, где Сесса, в то время профессор систематики растений в Университете Флориды, и Ярмила Питтерманн, профессор физиологии растений в Калифорнийском университете в Санта-Крус, подводят итоги после конференции. Оба разделяли академический интерес к папоротникам и знали, что НАСА финансирует исследования по экзобиологииизучение потенциальной жизни за пределами Земли.

Учитывая, что летопись окаменелостей показывает всплеск распространения спор папоротника в то время, когда почти ничему другому не удавалось остаться в живых, пара задалась вопросом, что растения могут рассказать нам о том, что нужно для выживания в враждебной и маловероятной среде. Оказалось, что папоротникам действительно есть что рассказать.

Питтерман и Сесса обратились к Риган Даннпалеоботаник из Ла-Бреа-Тар-Питс и Эллен Куррано, палеоботаник из Университета Вайоминга, и попросил их собрать образцы горных пород раннего палеогена, которые могли бы содержать ископаемые свидетельства шипа спор папоротника. Данн и Куррано провели месяц в полевых условиях, разыскивая камни с контрольной полосой отложений иридия, оставленных на Земле ударом астероида. Они пробурили образцы выше и ниже линии в пяти разных местах в Нью-Мексико и Колорадо и прочесали участки в поисках окаменелостей листьев, чтобы выяснить, какие папоротники существовали во время удара.

Они отправили образцы в специализированную коммерческую лабораторию, которая раздробила горную породу и растворила минералы, оставив после себя споры папоротника и грибов, пыльцевые зерна, фрагменты листьев и другие микроскопические следы доисторической растительной жизни. Палеоэколог Жаклин Гилл из Университета штата Мэн помогли им проанализировать все это.

Затем нужно было сравнить исторические свидетельства с данными, собранными во время реальной реконструкции катастрофы K/Pg.

Это означало создание постапокалиптического сценария в теплице на крыше Здания междисциплинарных наук Калифорнийского университета в Санта-Круз.

Прошлым летом пространство площадью 12 на 20 квадратных футов было украшено примерно 140 растениями, характерными для позднего мелового периода: колючими пальмами, пернатыми метасеквойями, вычурными папоротниками. Среди папоротников была разновидность под названием шипы блехнума, также известный как твердый папоротник или олень папоротник. Разновидности этого растения существовали на планете почти 300 миллионов лет до того, как космический камень врезался в Землю.

В течение более трех месяцев растения процветали в своих одногаллонных горшках в атмосферных условиях, подобных тем, что были во время падения астероида: тепло и влажно с уровнем углекислого газа 1000 частей на миллион, что более чем в два раза превышает уровень нашей нынешней атмосферы. .

«Хорошие условия мелового периода», — сказал Питтерманн.

Эти условия резко изменились в конце октября.

Специалист по исследованиям Алекс Бэр покрасил внешнюю часть теплицы несколькими слоями побелки, смешанной с отвердителем, чтобы блокировать солнечные лучи и помочь покрытию выдержать зимние ливни. Затем он натянул брезент и листы майлара на потолок, чтобы блокировать оставшийся свет.

Чтобы завершить трансформацию, Бэр снизил температуру с приятных 77 градусов по Фаренгейту (25 градусов по Цельсию) до 50 градусов по Фаренгейту (10 градусов по Цельсию) и регулярно опрыскивал растения раствором, имитирующим кислотный дождь, который, как считается, выпал на землю. постударный мир.

Через месяц то, что было пышной коллекцией листвы, превратилось в унылое скопление заброшенных комнатных растений.

По словам Питтерманна, лиственные растения перешли в режим зимовки и сбросили листья в первую неделю — удивительно быстрое исчезновение, подчеркивающее быстроту исчезновения K/Pg.

Другие умерли более продолжительной смертью.

«С блехнумом то, что мы видели, было скорее медленной потерей листьев», — сказал Бэр. «Похоже, это было своего рода страдание».

Некоторые растения показали признаки стойкости своих предков перед лицом бедствия. Метасеквойя, или секвойя рассвета, во тьме вошла в нечто вроде лимба растений, не растёт и не проявляет видимых признаков увядания.

А как же блехнум? По мере того, как темная фаза тянулась, его выживание казалось сомнительным.

Ученые считают, что потребовалось от двух лет до нескольких десятилетий, чтобы дневной свет и температура вернулись к уровню, существовавшему до удара. Практичность требовала, чтобы исследовательская группа сократила этот срок. Итак, в середине апреля, примерно через полгода искусственной ударной зимы, брезент спустили, кислотные ванны прекратились, а со стекла соскребли побелку — сокращенный вариант постепенной перестройки палеогена.

Исследователи знали жизнь мог вернуться после таких ужасных условий — нас бы не было рядом, если бы это было невозможно. Но сколько времени это займет и как будет выглядеть восстановление, еще предстоит увидеть.

Первые весенне-зеленые бутоны начали появляться рядом с увядшими коричневыми остатками через несколько дней после возвращения света. Две недели спустя из нескольких горшков высыпались листья папоротника, а на крошечных саженцах секвойи и платана снова появились листья.

Только блехнум, похоже, не выдержал мучительного обрушения: когда Бэр отрезал образец для анализа, он не нашел следов здорового корневища или стебля папоротника, как у других растений. Во время недавней прогулки по теплице Баер осмотрел горшок с сухими, по-видимому, безжизненными остатками.

Внезапно Питтерманн ахнул. Там, из-под земли, торчал крошечный зеленый усик. В конце концов, блехнум создал его, как и его предок 66 миллионов лет назад.

На вопрос, можно ли считать папоротники тараканами растительного мира, Питтерманн возразил, заявив лишь, что они «устойчивы». Но это исключительно выносливый класс растений.

«На самом деле у них есть особый тип фоторецепторов, которых нет у цветковых растений и других семенных растений, поэтому они способны фотосинтезировать в условиях очень слабого освещения», — сказал Сесса. Папоротники также терпимы к кислым и бедным питательными веществами почвам, а некоторые виды могут поглощать тяжелые металлы из загрязненной почвы, фактически очищая землю своим присутствием.

После стихийного бедствия, будь то лесной пожар или падение гигантского метеорита, «если они смогут проникнуть туда и начать поглощать тяжелые металлы из почвы и заниматься своими обычными процессами жизни и смерти, они Затем мы создадим новое органическое вещество, — сказал Сесса. «По сути, они просто выступают в роли первых пионеров или колонизаторов, способных овладеть опустошенным ландшафтом и начать возвращать в него жизнь».

Летопись окаменелостей предполагала это, но эксперимент в Санта-Крус был первым, кто показал, как это произошло на самом деле.

Хотя сравнение окаменелых образцов с аналогичными живыми существами является «старой традицией в палеонтологии», ни одна исследовательская группа не использовала этот метод для изучения вымирания K/Pg. Скотт Винггеолог и куратор палеоботаники в Смитсоновском институте.

«Если вы хотите понять влияние глобального опустошения на экосистемы и эволюцию, это первая глава в истории Земли, к которой нужно обратиться», — сказал Винг. «Это также отличная глава для того, чтобы попытаться понять, как жизнь восстанавливается как в экологическом, так и в эволюционном периоде».

Выяснение того, как экосистемы восстанавливаются после катастрофы, заключается не только в понимании прошлого планеты. Открытия могут помочь обеспечить его будущее.

Жители Земли уже не сидячие утки, какими они были в позднем меловом периоде. НАСА может предвидеть потенциально опасные астероиды на десятилетия вперед и разрабатывает способы защитить нас от тех, кто направляется к нам. В прошлом году НАСА успешно сбил с курса движущийся космический объект впервые, ключевой шаг в планетарной защите.

Но стоит знать, что может произойти в наихудшем сценарии, который внезапно вызовет такие условия, будь то нарушитель из космоса или доморощенная ядерная атака. Даже если бы наш вид погиб, есть обнадеживающие свидетельства того, что жизнь на планете, особенно папоротниковая, нашла бы способ существовать без нас.