Pijnbomen worden tijdelijk steriel wanneer ze worden blootgesteld aan ultraviolette straling die zo intens is als sommige wetenschappers geloven dat de aarde 252 miljoen jaar geleden heeft meegemaakt tijdens de grootste massale uitsterving van de planeet, ter ondersteuning van de theorie dat de aantasting van de ozonlaag heeft bijgedragen aan de crisis.

Het effect van hoge UV-straling op coniferen en mogelijk andere bomen suggereert ook vandaag de dag voorzichtigheid bij het introduceren van chemicaliën die de ozonlaag van de aarde aantasten, die zich nog moet herstellen na een wereldwijd verbod op chloorfluorkoolstof-koelmiddelen in de jaren tachtig, ingesteld nadat ozongaten boven de polen waren ontstaan. Sommige industriële chemicaliën vernietigen ook atmosferische ozon, wat het zonnescherm van de planeet is, al het leven beschermen tegen overmatige UV-stralen, in het bijzonder UV-B-golflengten, die mutaties in het DNA veroorzaakt.

Resultaten van het experiment, die werd uitgevoerd door de Universiteit van Californië, Berkeley afgestudeerde student Jeffrey Benca, wordt op 7 februari gepubliceerd in het online tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Benca bestraald 18-inch-hoog, bonsai-achtige dennen met UV-B doseringen tot 13 keer sterker dan op aarde vandaag, het simuleren van de effecten van aantasting van de ozonlaag veroorzaakt door immense vulkaanuitbarstingen die plaatsvonden aan het einde van de Perm-periode. Tijdens het experiment van twee maanden, geen van de bomen stierf behalve alle zaadkegels, of dennenappels, verschrompeld slechts enkele dagen na het verschijnen, de bomen steriel achterlaten.

Bij plaatsing buiten de bomen kregen in latere jaren weer het vermogen om gezonde zaadkegels te produceren.

Wetenschappers hebben voorgesteld dat de aantasting van de ozonlaag, veroorzaakt door periodieke vulkaanuitbarstingen gedurende bijna een miljoen jaar, een van de oorzaken was van het uitsterven aan het einde van het Perm. maar hoe is onduidelijk. Zure regen zou een plaatselijk effect zijn geweest, maar het uitsterven van bijna 70 procent van de bekende landdieren, 95 procent van het zeeleven en veel plantengeslachten was wereldwijd.

Eerdere paleoklimaatmodelstudies suggereren dat de vulkanische spurts de ozonlaag wereldwijd hadden kunnen wegvagen, weliswaar tijdelijk. Hoe dan ook, zelfs als oude bomen hun vruchtbaarheid herwonnen, herhaalde aanvallen van onvruchtbaarheid zouden de bevolkingsgroei in de loop van de tijd kunnen belemmeren, leidend tot ineenstorting van de biosfeer over de hele planeet, volgens Benca.

Langdurige ineenstorting van de biosfeer

"Tijdens de einde-Perm-crisis, de bossen zijn mogelijk geheel of gedeeltelijk verdwenen door verhoogde blootstelling aan UV, "Zei Benca. "Met pulsen van vulkaanuitbarstingen die plaatsvinden, we zouden een gepulseerde verzwakking van het ozonschild verwachten, wat kan hebben geleid tot bosdalingen die eerder in het fossielenarchief zijn waargenomen."

"Als je enkele van de dominante plantenlijnen wereldwijd herhaaldelijk verstoort, je zou trofische cascades kunnen veroorzaken door de voedselwebbasis te destabiliseren, wat niet zo goed werkt voor landdieren, " hij voegde toe.

De verrassende bevindingen vertellen wetenschappers iets over eerdere uitstervingen en de toekomstperspectieven van de aarde als klimaatverandering, vernietiging van habitats en vervuiling hebben ons voorbereid op de zesde massale uitsterving van de aarde.

"Paleontologen hebben verschillende moordscenario's bedacht voor massale uitstervingen, maar het plantenleven kan niet zozeer worden beïnvloed door plotseling dood te gaan als door een deel van de levenscyclus te onderbreken, zoals reproductie, voor een lange tijd, waardoor de bevolking slinkt en mogelijk verdwijnt, " zei co-auteur Cindy Looy, een UC Berkeley universitair hoofddocent integratieve biologie.

"Wereldwijde rampen met de biodiversiteit gaan niet over de dood, maar over het snoeien van evolutionaire takken aan de levensboom met een snelheid die veel hoger is dan het ontspruiten van nieuwe scheuten, ", aldus co-auteur Ivo Duijnstee, een adjunct-assistent-professor integratieve biologie. "Jef, die zijn plantengroeikamers als tijdmachine gebruikte om het potentieel van een hypothese te testen over wat er 252 miljoen jaar geleden zou kunnen zijn gebeurd, geeft een uitstekend voorbeeld dat illustreert hoe de zich langzaam ontwikkelende uitsterving op het land over misschien tien- of honderdduizenden jaren veroorzaakt kan zijn door reproductieve problemen aan de basis van de voedselketen."

Siberische vulkanen

Het uitsterven aan het einde van het Perm is vermoedelijk veroorzaakt door vulkaanuitbarstingen in Siberië gedurende honderdduizenden, zo niet een miljoen jaar, die hebben geleid tot wat tegenwoordig bekend staat als de Siberische vallen:lavavelden die een groot deel van Noord-Rusland bedekken en oorspronkelijk bijna 3 miljoen vierkante mijl met een gemiddelde dikte van ongeveer 1, 000 voet.

In 2004, Looy en haar voormalige Ph.D. adviseur Henk Visscher stelde voor hoe dit zou kunnen verlopen, basen op gefossiliseerde abnormale plantensporen die wereldwijd worden gevonden:vulkanische gassen - halogeenkoolwaterstoffen zoals methylchloride en methylbromide - vernietigden een groot deel of de hele ozonlaag van de aarde, het stimuleren van blootstelling aan UV-B die het leven zou hebben beïnvloed en mogelijk de genetische mutatiesnelheid in pollen en sporen van planten wereldwijd zou hebben verhoogd.

Het bewijs voor deze hypothese groeide in 2005 toen een onafhankelijk onderzoeksteam onder leiding van Clinton Foster van Geoscience Australia misvormde stuifmeelkorrels van eind-Perm-zaadplanten ontdekte. De stijging van het percentage misvormde pollen, die zowel op het noordelijk als op het zuidelijk halfrond te zien is, viel samen met de afname van bossen wereldwijd.

Het vinden van bewijs van misvormingsmechanismen in 252 miljoen jaar oude pollenfossielen is onmogelijk, daarom hebben Looy en anderen naar andere manieren gezocht om te bepalen of verhoogde UV-B het eind-Perm-ecosysteem verstoorde. Benca bedacht een reeks experimenten met levende planten om de hypothese te testen.

Het eerste experiment, met behulp van dennen, werd ontworpen om uit te zoeken of hoge niveaus van UV-B misvormde stuifmeelkorrels kunnen veroorzaken in de hedendaagse zaadplanten, vergelijkbaar met die beschreven door Foster, en of deze misvormingen de voortplanting kunnen beïnvloeden. Het knijpen van een volwassen dennenboom in een laboratorium was een knelpunt totdat Benca een nieuwe oplossing vond:het gebruik van een dwergcultivar geselecteerd voor bonsai die gemakkelijk stuifmeel en zaadkegels produceert.

In 2013, hij vervoerde 60 klonale dwergdennen naar Berkeley van een naaldboomkwekerij in Boring, Oregon. Na ze een jaar lang buiten in de volle zon te hebben geacclimatiseerd met weinig water en voedselarme grond - typische omstandigheden voor deze alpine soort, Pinus mugo - voerde een 56-daags binnenexperiment uit met UV-B-lampen met hoge intensiteit.

In drie afzonderlijke UV-kamers binnenshuis, Benca stelde de dwergdennen bloot aan 7,5, 10 en 13 keer de normale UV-B-intensiteit van Berkeley, in overeenstemming met schattingen van de impact die uitbarstingen van de Siberische Trap zouden hebben gehad op de ozonlaag als hun emissies over verschillende tijdsperioden zouden hebben plaatsgevonden, variërend van 400, 000 jaar tot minder dan 200, 000 jaar.

Inderdaad, de dennen produceerden misvormd stuifmeel. Bij de gemiddelde en extreme blootstellingen, 12 tot 15 procent van de stuifmeelkorrels was misvormd, versus 3 procent in bomen met normale en lage blootstelling. Foster's eerdere onderzoek suggereerde dat stuifmeelopbrengsten met meer dan 3 procent misvormde korrels geassocieerd zijn met omgevingsstress in moderne coniferen, zei Benca. In totaal, hij bracht drie jaar door met het uitvoeren van de experimenten en het vergelijken van meer dan 57, 000 stuifmeelkorrels geproduceerd door bomen in de kamers.

Tot verbazing van de onderzoekers echter, alle bomen die werden blootgesteld aan verhoogde UV-niveaus werden steriel. Hun zaadkegels verschrompelden voordat ze de kans kregen om bevrucht te worden. Dit leek een systemische reactie op de UV-B-stress te zijn, omdat zelfs zaadkegels die tussen het gebladerte verborgen waren, stierven.

"Het systeem dat we gebruikten was echt heel conservatief, "Zei Benca. "In tegenstelling tot de relatief onbeschermde zaaddragende structuren van aangetaste eind-Perm-zaadplanten, de dennen van vandaag hebben uitgebreide en zeer zwaar versterkte, in elkaar grijpende kegelschubben die hun zaden beschermen tegen roofdieren en de externe omgeving. Toch, deze bomen hebben net al hun zaadkegels gedumpt. Pinus mugo is een alpine soort die behoorlijk bestand moet zijn tegen verhoogde UV-niveaus."

"Dat Jeff's UV-B-blast-experiment - een beetje een berekende afstandsschot - stuifmeelafwijkingen produceerde in een moderne naaldboom, vergelijkbaar met afwijkingen waargenomen in 252 miljoen jaar oude microfossielen, was een van de meest opwindende dingen die ik dit decennium heb gezien, ' zei Duijnstee.