De grootste uitsterving in de geschiedenis van de aarde markeerde het einde van de Perm-periode, zo'n 252 miljoen jaar geleden. Lang voor dinosaurussen, onze planeet was bevolkt met planten en dieren die grotendeels waren uitgewist na een reeks enorme vulkaanuitbarstingen in Siberië.

Fossielen in oude rotsen op de zeebodem vertonen een bloeiend en divers marien ecosysteem, dan een strook lijken. Ongeveer 96 procent van de mariene soorten werd uitgeroeid tijdens de "Great Dying, " gevolgd door miljoenen jaren waarin het leven zich opnieuw moest vermenigvuldigen en diversifiëren.

Waar tot nu toe over is gedebatteerd, is precies wat de oceanen onherbergzaam maakte:de hoge zuurgraad van het water, metaal- en sulfidevergiftiging, een volledig gebrek aan zuurstof, of gewoon hogere temperaturen.

Nieuw onderzoek van de Universiteit van Washington en Stanford University combineert modellen van oceaanomstandigheden en diermetabolisme met gepubliceerde laboratoriumgegevens en paleoceanografische gegevens om aan te tonen dat het massale uitsterven van het Perm in de oceanen werd veroorzaakt door de opwarming van de aarde waardoor dieren niet meer konden ademen. Naarmate de temperatuur steeg en het metabolisme van zeedieren versnelde, de warmere wateren konden niet genoeg zuurstof bevatten om te overleven.

De studie is gepubliceerd in het 7 december nummer van: Wetenschap .

"Dit is de eerste keer dat we een mechanistische voorspelling hebben gedaan over de oorzaak van het uitsterven dat direct kan worden getest met het fossielenbestand, waardoor we voorspellingen kunnen doen over de oorzaken van uitsterven in de toekomst, " zei eerste auteur Justin Penn, een UW-promovendus in oceanografie.

Onderzoekers hebben een klimaatmodel uitgevoerd met de configuratie van de aarde tijdens het Perm, toen de landmassa's werden gecombineerd in het supercontinent Pangea. Voordat aanhoudende vulkaanuitbarstingen in Siberië een broeikasgasplaneet creëerden, oceanen hadden temperaturen en zuurstofniveaus die vergelijkbaar waren met die van vandaag. De onderzoekers verhoogden vervolgens de broeikasgassen in het model tot het niveau dat nodig is om de tropische oceaantemperaturen aan het oppervlak zo'n 10 graden Celsius (20 graden Fahrenheit) hoger te maken, passende voorwaarden op dat moment.

Het model reproduceert de resulterende dramatische veranderingen in de oceanen. Oceanen verloren ongeveer 80 procent van hun zuurstof. Ongeveer de helft van de zeebodem van de oceanen, meestal op diepere diepten, volledig zuurstofvrij is geworden.

Om de effecten op mariene soorten te analyseren, de onderzoekers hielden rekening met de variërende zuurstof- en temperatuurgevoeligheden van 61 moderne mariene soorten, waaronder schaaldieren, vis, schaaldieren, koralen en haaien - met behulp van gepubliceerde laboratoriummetingen. De tolerantie van moderne dieren voor hoge temperaturen en lage zuurstof zal naar verwachting vergelijkbaar zijn met Perm-dieren omdat ze onder vergelijkbare omgevingsomstandigheden waren geëvolueerd. De onderzoekers combineerden vervolgens de eigenschappen van de soort met de paleoklimaatsimulaties om de geografie van het uitsterven te voorspellen.

"Heel weinig mariene organismen bleven in dezelfde habitats waarin ze leefden - het was vluchten of vergaan, " zei tweede auteur Curtis Deutsch, een UW universitair hoofddocent oceanografie.

Het model laat zien dat de organismen die het meest gevoelig zijn voor zuurstof ver van de tropen het zwaarst zijn getroffen. Veel soorten die in de tropen leefden stierven ook uit in het model, maar het voorspelt dat soorten op hoge breedtegraden, vooral die met een hoge zuurstofbehoefte, werden bijna volledig weggevaagd.

Om deze voorspelling te testen, co-auteurs Jonathan Payne en Erik Sperling van Stanford analyseerden laat-Perm fossiele distributies van de Paleoceanography Database, een virtueel archief van gepubliceerde fossielencollecties. Het fossielenbestand laat zien waar soorten waren vóór het uitsterven, en die volledig werden weggevaagd of beperkt tot een fractie van hun vroegere leefgebied.

Het fossielenbestand bevestigt dat soorten ver van de evenaar het meest hebben geleden tijdens het evenement.

"De handtekening van dat kill-mechanisme, klimaatopwarming en zuurstofverlies, is dit geografische patroon dat is voorspeld door het model en vervolgens ontdekt in de fossielen, "Zei Penn. "De overeenkomst tussen de twee geeft aan dat dit mechanisme van klimaatopwarming en zuurstofverlies een primaire oorzaak van het uitsterven was."

De studie bouwt voort op eerder werk onder leiding van Deutsch, waaruit blijkt dat als oceanen opwarmen, het metabolisme van zeedieren versnelt, wat betekent dat ze meer zuurstof nodig hebben, terwijl warmer water minder vasthoudt. Die eerdere studie laat zien hoe warmere oceanen dieren wegduwen uit de tropen.

De nieuwe studie combineert de veranderende oceaanomstandigheden met de metabolische behoeften van verschillende dieren bij verschillende temperaturen. De resultaten laten zien dat de ernstigste effecten van zuurstofgebrek zijn voor soorten die in de buurt van de polen leven.

"Omdat de stofwisseling van tropische organismen al was aangepast aan redelijk warme, zuurstofarme omstandigheden, ze kunnen wegtrekken uit de tropen en ergens anders dezelfde omstandigheden vinden, " zei Deutsch. "Maar als een organisme was aangepast voor een verkoudheid, zuurstofrijke omgeving, toen hielden die omstandigheden op te bestaan ​​in de ondiepe oceanen."

De zogenaamde "dode zones" die volledig verstoken zijn van zuurstof bevonden zich meestal onder de diepten waar soorten leefden, en speelde een kleinere rol in de overlevingskansen." het bleek dat de grootte van de dode zones niet echt het belangrijkste was voor het uitsterven, " Deutsch zei. "We denken vaak aan anoxie, het volledige gebrek aan zuurstof, als de voorwaarde die je nodig hebt om wijdverbreide onbewoonbaarheid te krijgen. Maar als je kijkt naar de tolerantie voor lage zuurstof, de meeste organismen kunnen worden uitgesloten van zeewater bij zuurstofniveaus die nergens in de buurt van anoxisch zijn."

Opwarming die leidt tot onvoldoende zuurstof verklaart meer dan de helft van de verliezen aan mariene diversiteit. De auteurs zeggen dat andere veranderingen, zoals verzuring of verschuivingen in de productiviteit van fotosynthetische organismen, waarschijnlijk als bijkomende oorzaken hebben gediend.

De situatie in het late Perm - toenemende broeikasgassen in de atmosfeer die zorgen voor warmere temperaturen op aarde - is vergelijkbaar met die van vandaag.

"Onder een business-as-usual emissiescenario's, tegen 2100 zal de opwarming in de bovenste oceaan 20 procent van de opwarming in het late Perm hebben benaderd, en tegen het jaar 2300 zal het tussen de 35 en 50 procent zijn, "Zei Penn. "Deze studie benadrukt het potentieel voor een massale uitsterving die voortkomt uit een soortgelijk mechanisme onder antropogene klimaatverandering."