Global uppvärmning och massutdöende i slutet av trias
Forskargruppen bakom den nya studien består av geologer från Nederländerna, Storbritannien, Danmark, USA, Belgien, Luxemburg, och Sverige. Under ledning av forskarna Bas van de Schootbrugge och Teuntje Hollaar vid Utrecht universitet har de tillsammans undersökt lager av sedimentära bergarter från övergången mellan tidsperioderna trias och jura i fyra borrkärnor från Storbritannien, Tyskland, Danmark samt Luxemburg.
Bakgrunden är att när de sedimentära lagren bildades täcktes stora delar av nordvästra Europa av ett epikontinentalt hav, alltså ett grunt innanhav som bredde ut sig över landmassorna. Borrkärnorna dokumenterar hur livet och miljön på varje plats förändrades då livet på jorden drabbades av ett av de fem största massutdöendena i jordens historia – massutdöendet i slutet av triasperioden för 201 miljoner år sedan.
Denna stora kris i livets historia orsakades av omfattande och långvarig vulkanism som bildades när jättekontinenten Pangea började spricka upp. Stora mängder vulkaniska bergarter – lava och basalter, rester av den omfattande vulkanismen – finns idag bevarade på fyra kontinenter runt mellersta Atlanten; nordvästra Afrika, Europa, östra Nordamerika och norra Sydamerika. Vulkanismen pågick i pulser under hundratusentals år och släppte ut enorma mängder växthusgaser (koldioxid och metan), svaveldioxid och tungmetaller. Detta ledde till en global uppvärmning på minst tre till fyra grader Celsius och omfattande klimatförändringar i många områden.
Tre av fyra djurarter försvann
Såväl livet i haven som på land påverkades och man räknar med att omkring 75 procent av alla arter på jorden försvann under eller i efterdyningarna av krisen. Under tidsintervallet som representerar själva massutdöendet har forskarna kartlagt förändringarna i vegetationen i nordvästra Europa.
Sofie Lindström, statsgeolog på Sveriges geologiska undersökning, adjungerad professor vid Institutet for Geovidenskab og Naturforvaltning vid Köpenhamns universitet samt docent vid Miljö- och geovetenskapliga institutionen vid Lunds universitet, är medförfattare till artikeln och berättar att nordvästra Europa var täckt av skog och skogsbevuxna myrar vid tiden före massutdöendet.
– Under massutdöendet sker sedan en omfattande skogsdöd. Vegetationen kom istället att domineras av ormbunkar som bildade öppna savanner under det tiotusentals till hundratusentals år långa intervall som krisen pågick. I tidig juratid, efter massutdöendet, förblev ormbunkarna länge ett dominerande inslag i vegetationen även när träden började komma tillbaka. Vi ville förstå bättre varför ormbunkarna förblev dominerande under så lång tid, säger Sofie Lindström.
Hur man spårar skogsbränder i djup tid
Forskarna använde flera olika metoder för att kartlägga och jämföra data från de fyra borrkärnorna.
– Genom att studera förekomsten av fossilt träkol och organiska molekyler som bildas i rök från skogsbränder, så kallade polycykliska aromatiska kolväten (PAH), så kunde vi kartlägga förekomsten av bränder i vegetationen över trias-jura-gränsen, berättar medförfattaren Sylvain Richoz, universitetslektor vid Miljö- och geovetenskapliga institutionen vid Lunds universitet.
I kombination med pollen- och spordata visar dessa skogsbrandsdata att skogsbrandsaktiviteten var intensiv under tiden för massutdöendet och att detta sammanfaller med den stora utbredningen av ormbunkar.
– Träkolsdata kan dock misstolkas om större bitar av träkol bryts upp i mindre fragment i sedimenten. På samma sätt behöver PAH:er som avges under skogsbränder inte nödvändigtvis komma från skogsbränderna i närheten, eller så bevaras kanske inte molekylerna alls, förklarar Sylvain Richoz.
Forskarteamet kom därför fram till ett nytt sätt att spåra skogsbrandsaktivitet i djup tid. Genom att analysera färgförändringar hos de fossila sporer och pollen som finns bevarade i de sedimentära lagren i borrkärnorna över trias-jura gränsen så kunde forskarna kartlägga om de mikroskopiska växtresterna utsatts för höga temperaturer.
– Det är en enkel och mycket billig teknik som väl kompletterar träkols- och PAH-datan, säger Sylvain Richoz.
Färgmönster som avvek från det förväntade
Fossila sporer och pollen består av ett ämne som kallas sporopollenin, som byggs upp av ämnena kol, syre och väte. När sporer och pollen begravs i sediment utsätts dessa för tryck- och temperaturförändringar. I takt med att sedimenten begravs djupare stiger temperaturen. Under lång tid påverkas fossilen av värmen, ungefär som om de långsamt "bakas" i berggrunden. Det organiska materialet blir då mer kolrikt och mörknar, det vill säga att de djupast liggande lagren bör innehålla de mörkaste fossilen.
– Men här hittade vi ett helt annat mönster. I de äldsta djupaste proverna i kärnorna är pollen och sporer ljust gula till gulbruna i färgen, men i intervallet från själva massutdöendet är de bruna till extremt mörkbruna. Efter utdöendet återgår färgerna till en ljusgul färg igen, säger Sofie Lindström.
Detta fenomen förbryllade forskarna. Eftersom det förekommer i alla fyra borrkärnor, under exakt samma tidsintervall, så kunde det inte vara relaterat till sedimentens begravningsdjup, eftersom de fyra områdena som borrkärnorna kommer ifrån har haft väldigt olika geologisk utveckling.
Den "mörka zonen"
Med hjälp av en kamera ansluten till ett ljusmikroskop mätte forskarna det RGB-färgspektrum som sporer och pollen uppvisade i varje prov. Färgvärdena omvandlades sedan till ett genomsnittligt gråskalevärde som kunde jämföras mellan prover inom samma borrkärna och mellan borrkärnor från olika platser. Därigenom kunde teamet kartlägga färgförändringarna.
Teamet genererade 15 000 mätningar från både pollen och sporer från växter som levde före, under och efter massutdöendet i slutet av triasperioden. Genom att jämföra färgförändringarna hos såväl trädpollen som ormbunkssporer var det möjligt att utesluta eventuella biologiska effekter specifika för olika växtgrupper. Sofie Lindström förklarar:
– Eftersom alla växtgrupper uppvisar samma färgförändringar måste dessa var resultatet av yttre faktorer. När vi jämförde färgförändringarna med de andra indikationerna för skogsbränder insåg vi att den mörka zonen representerar långvariga och intensiva skogsbränder under tiden för massutdöendet. Den mörka zonen överlappar faktiskt exakt i tid med ormbunksavannernas utbredning, massutdöendet och den ökade förekomsten av träkol och PAH, säger hon.
Ett triassiskt inferno
Ormbunkar har överlevt många kriser i jordens historia. Under trias och jura fanns inga blomväxter och marken täcktes istället av ormbunkar.
– De är verkligen anmärkningsvärda. Vissa arter kan anpassa sig till några av de mest extrema miljöerna idag och kan snabbt kolonisera störda miljöer. De kan betraktas som riktiga pionjärarter, säger Sofie Lindström.
Den explosionsartade utbredningen av ormbunkar vid tiden för massutdöendet i slutet av trias var resultatet av en kombination av faktorer. De orsakades av den omfattande vulkanismen och inkluderar global uppvärmning, skogsdöd, jorderosion och skogsbränder. Sofie Lindström berättar att vissa ormbunkar snabbt kan ta över störda landskap och hindra andra växter från att etablera sig, och dessutom kan skogsbränder stimulera ormbunkar att sprida sig ännu snabbare. Även om ormbunkarnas blad blir offer i bränderna så kan de snabbt växa tillbaka via underjordiska rotsystem och konkurrera ut andra växter i processen.
Denna förmåga bidrog sannolikt till ormbunkarnas dominans under intervallet för massutdöendet som uppskattas ha varat under 40 000 år till kanske så länge som 300 000 år. På de utbredda ormbunkssavannerna fungerade vissa arter som brandstegar samtidigt som de kvävde annan vegetation.
– När tjocka mattor av ormbunkar torkar ut blir de torra löven det perfekta bränslet för att utlösa och sprida vidare intensiva skogsbränder, säger Sofie Lindström.
Medvetenhet om de miljöer vi människor påverkar
Ormbunkarna både drog nytta av och levererade bränsle till de upprepade massiva skogsbränderna och detta bidrog till att förhindra den övriga vegetationens återhämtning under massutdöendeintervallet.
– Det måste ha varit en påfrestande värld att leva i för både växter och djur, tidvis ett riktigt inferno, är Sofie Lindström och Sylvain Richoz överens om.
Trots att detta hände för mer än 200 miljoner år sedan så känns det ändå relevant för dagens samhälle.
– I likhet med studier av moderna skogsbränder visar vår forskning att förhöjda temperaturer, torka och förändringar i vegetationstyper ökar både risken för skogsbränder och brändernas allvarlighetsgrad. Lärdomen vi kan dra av detta är att vi behöver vara mycket mer medvetna om de växtmiljöer vi människor påverkar eller skapar, säger Sofie Lindström.
Publikation
Länk till den vetenskapliga artikeln i Nature Geoscience (på engelska):
Continental-scale fern savannah wildfires during end-Triassic greenhouse warming
Artikeln ovan är en bearbetad version av ett pressmeddelande på engelska från Utrecht University, se länk nedan.
Triassic Inferno: Fires raged across Europe for thousands of years during past global warming - News - Utrecht University