Door klimaatverandering en kwikvervuiling hadden planten het miljoenen jarenlang moeilijk na massa-extinctie
Uitstoot door vulkanen zorgde voor massa-extinctie en langdurige verstoring
Het verband tussen grootschalig vulkanisme en de massa-extinctie aan het eind van het Trias (201 miljoen jaar geleden) is algemeen geaccepteerd. Maar hoe vulkanisme precies heeft geleid tot het instorten van ecosystemen en het uitsterven van hele families van organismen is moeilijk vast te stellen. Extreme klimaatverandering door de uitstoot van koolstofdioxide, aantasting van de ozonlaag door emissies van schadelijke chemicaliën en de uitstoot van giftige vervuilende stoffen worden allemaal gezien als bijdragende factoren. Eén giftig element valt op: kwik. Kwik, één van de meest giftige elementen op aarde, is een metaal dat als gas wordt uitgestoten door vulkanen en zich dus wereldwijd kan verspreiden. Een nieuw onderzoek in Nature Communications levert nieuw overtuigend bewijs voor de gecombineerde effecten van opwarming van de aarde en grootschalige kwikvergiftiging die het moeilijk maakten voor planten lang nadat er geen vulkanische activiteit meer was.
Een internationaal team van Nederlandse, Chinese, Deense, Britse en Tsjechische wetenschappers heeft sedimenten uit Noord-Duitsland in een boorkern (Schandelah-1) onderzocht op microfossielen en geochemische signalen. De sedimenten beslaan het bovenste Trias tot het lagere Jura. Onderzoek aan gefossiliseerd stuifmeel en sporen toonde aan dat veel varensporen misvormingen vertonen, van afwijkingen in de wandstructuur tot bewijs van celdelingen die niet goed waren gegaan, waardoor varensporen ongescheiden, verkleind en samengesmolten waren. “Het is verbluffend om zoveel verschillende types misvormde varensporen in sedimentmonsters uit een kustlagune van 201 miljoen jaar geleden te vinden. Het betekent dat er heel veel varens moeten zijn geweest die het moeilijk hadden,” legt promovendus aan de Universiteit Utrecht en hoofdauteur van het onderzoek Remco Bos uit. “Het is ook niet iets dat we regelmatig zien tijdens andere periodes die ook veel varenfossielen hebben, waardoor het een echt signaal is van de eind-Trias massa-extinctie,” vervolgt Bos.
Ontbossing en varens
De resultaten van Bos en co-auteurs bevestigen eerder werk van co-auteurs Sofie Lindström (Universiteit van Kopenhagen), Hamed Sanei (Universiteit van Aarhus), en Bas van de Schootbrugge (Universiteit Utrecht), die soortgelijke data verkregen uit kernen uit Denemarken en nabijgelegen ontsluitingen in Zweden. Volgens Sofie Lindström: “Varens vervingen bomen gedurende het hele uitstervingsinterval als reactie op dramatische milieuveranderingen die waarschijnlijk werden veroorzaakt door hittestress, sterk toegenomen moessonregenval en toegenomen bosbranden. Palynologische resultaten laten zien dat een pionierende varenvegetatie zich verspreidde over grote laaggelegen kustgebieden in Noordwest-Europa van Zweden en Denemarken tot Duitsland, Frankrijk, Luxemburg en Oostenrijk als reactie op grootschalige ontbossing.” Varens zijn hardnekkige planten die vaak verstoorde omgevingen koloniseren, inclusief nieuwgevormde vulkanische eilanden of landschappen die zijn verwoest door vulkanisme of bosbranden. “Wat hier buitengewoon is, is dat de varens die al deze misvormde sporen maakten niet zijn uitgestorven. Ze hebben het misschien zwaar gehad, maar ze waren blijkbaar robuust genoeg om door te gaan,” merkt Lindström op.
Klimaatvariabiliteit
In dit nieuwe onderzoek laten Bos en co-auteurs zien dat de varens, die zich verspreidden in antwoord op het verdwijnen van bossen, zelf last hadden van kwikvervuiling lang na de directe uitstervingsperiode. “We vonden nog vier periodes met hoge kwikconcentraties en hoge aantallen misvormde sporen in de 1,3 tot 2 miljoen jaar na de uitstervingsperiode,” legt Remco Bos uit. Deze periode, die bekendstaat als het Hettangien, was een tijd van voortdurende ongunstige omstandigheden in de oceanen, met over het algemeen lage diversiteit in ongewervelde zeedieren, zoals ammonieten en tweekleppigen. Maar op het land lijkt de vegetatie zich sneller hersteld te hebben. “We laten nu zien dat bossen herhaaldelijk werden verstoord tot minstens 1,3 miljoen jaar, maar misschien zelfs 2 miljoen jaar na de extinctie,” legt Bos uit.
De vier extra periodes van hoge kwikconcentraties en veel misvormde varensporen hadden waarschijnlijk niets te maken met latere fases van vulkanisme in de Centrale Atlantische Magmatische Provincie. In plaats daarvan laten Bos en co-auteurs zien dat deze perioden nauw overeenkomen met de lange eccentriciteitscyclus, de grote variatie in de vorm van de baan van de aarde die de aarde elke 405 duizend jaar dichterbij of verder weg van de zon beweegt. Tijdens eccentriciteitsmaxima komt de aarde dichter bij de zon, waardoor er meer zonlicht op het aardoppervlak komt. Aangezien de aardse atmosfeer al vol zat met koolstofdioxide als gevolg van het grootschalige vulkanisme veroorzaakte deze cyclische verandering van het klimaatstelsel steeds weer bossterfte, waardoor verspreiding van pioniervarens opnieuw mogelijk werd. Zoals de correlatie met hoge kwikgehaltes laat zien, waren misvormingen in varensporen tijdens deze periodes ook het resultaat van kwikvergiftiging. Maar waar kwam dit kwik vandaan?
Hg-isotopen
Een cruciale dataset werd samengesteld aan de Tianjin ľϸӰ (China) door Wang Zheng, een co-corresponderende auteur en geochemicus gespecialiseerd in metaalisotooponderzoek, vooral in kwikisotopen. Kwik heeft verschillende stabiele isotopen die zich anders gedragen in het milieu. Tijdens reacties in de natuur, bijvoorbeeld de uitstoting door vulkanisme, afzetting uit de atmosfeer en opname door organismen, kunnen kwikisotopen worden gefractioneerd, wat het ene reservoir in de zwaardere isotopen verrijkt, en anderen in de lichtere isotopen. Sedimenten met verhoogde Hg-gehaltes en misvormde sporen laten ook duidelijke variaties in kwikisotopen zien. “Op basis van de kwikisotoopvariaties konden we een vroege piek in kwikverrijking rond de grens tussen Trias en Jura koppelen aan de uitstoot van kwik tijdens het grootschalige vulkanisme” legt Wang Zheng uit. “Maar de andere vier pieken in kwik hadden een andere isotopische samenstelling, wat aangeeft dat ze vooral voortkwamen uit kwikinput van bodemerosie en fotochemische reductie,” vervolgt Zheng.
Klimaatverandering en vervuiling door gif
De gecombineerde geochemische en microfossieldata duiden dus op een veel complexere en meer langgerekte reeks gebeurtenissen, die begint met massaal door vulkanisme veroorzaakte klimaatverandering en uitstoot van vervuilende gifstoffen, gevolgd door episodische pieken van verstoring in de nasleep van de extinctie die minstens 1,3 miljoen jaar duurden. Dr. Tomas Navratil van de Tsjechische Wetenschapsacademie, co-auteur en specialist in hedendaagse kwikvergiftiging, is het eens met dit scenario. “Ons werk op vervuilde locaties in Tsjechië laat bewijs zien van episodische hermobilisatie van bosgrond, vooral tijdens hete zomers, en op plaatsen die meer zijn blootgesteld aan zonlicht dat de fotochemische reductie van kwik en de herafgave van eerder opgeslagen kwik aan de atmosfeer veroorzaken.”
“We weten dat massa-extincties complexe en langdurige gebeurtenissen waren. Hier laten we zien dat een mix van het broeikaseffect en vervuiling leidde tot voortdurende ecosysteemverstoring. Kustecosystemen hebben waarschijnlijk het meest geleden onder die grote hoeveelheden gemobiliseerd kwik. Uiteindelijk herstelde het systeem zich tijdens het Sinemurien, waar we een meer stabiele bosvegetatie zien opkomen. Het is waarschijnlijk dat de aarde rond die tijd de rotzooi had opgeruimd, dat de koolstofdioxidegehaltes omlaaggingen en dat kwik voorgoed werd begraven in offshore zee sedimenten,” concludeert Bos.
Artikel
Bos, R., Zheng, W., Lindström, S. et al. ‘Climate-forced Hg-remobilization associated with fern mutagenesis in the aftermath of the end-Triassic extinction’, Nature Communications 15, 3596 (2024),
Het artikel is open access gepubliceerd (CC-BY-4.0 licentie).