Мел-палеогеновое вымирание

Гипотеза импакта. Падение астероида — одна из самых распространённых версий[9] (так называемая «гипотеза Альвареса», обнаружившего мел-палеогеновую границу). Она основана главным образом на приблизительном соответствии времени образования кратера Чикшулуб (который является следом от падения метеорита размером порядка 10 км около 65 млн лет назад[10]) на полуострове Юкатан в Мексике и временем вымирания большинства из исчезнувших видов динозавров[11]. Кроме того, небесно-механические расчёты (основанные на наблюдениях ныне существующих астероидов) показывают, что метеориты размером более 10 км сталкиваются с Землёй в среднем около одного раза в 100 млн лет, что по порядку величины соответствует, с одной стороны, датировкам известных кратеров, оставленных такими метеоритами[12], а с другой — промежуткам времени между пиками вымираний биологических видов в фанерозое[13]. Теорию подтверждает повышенное содержание иридия и других платиноидов в тонком слое на границе известняковых отложений мела и палеогена, отмеченное во многих районах мира. Эти элементы имеют тенденцию концентрироваться в мантии и ядре Земли и очень редко встречаются в поверхностном слое. С другой стороны, химический состав астероидов и комет точнее отражает первоначальное состояние Солнечной системы, в котором иридий занимает более существенное положение[14][15].

С помощью компьютерного моделирования учёные показали, что в воздух было выброшено около 15 трлн тонн пепла и сажи, в результате чего на Земле даже днём было темно, как лунной ночью. Из-за возникшей нехватки света у растений замедлился[16] или на 1—2 года был ингибирован[17] фотосинтез, что могло привести к уменьшению концентрации кислорода в атмосфере (на время, пока Земля была закрыта от поступления солнечного света). Температура на континентах упала на 28 °C, в океанах — на 11 °C. Исчезновение фитопланктона, важнейшего элемента пищевой цепи в океане, привело к вымиранию зоопланктона и других морских животных[17]. В зависимости от времени пребывания в стратосфере сульфатных аэрозолей глобальная годовая средняя температура приземного воздуха уменьшалась на 26 °C, до 16 лет температура была ниже +3 °C[18]. Залегающий между толщей суевита или импактной брекчии и вышележащим палеоценовым пелагическим известняком 76-сантиметровый переходный слой в кратере Чикшулуб, включая верхнюю часть со следами ползания и рытья (en:Trace fossil), сформировался менее, чем за 6 лет после падения астероида[19]. В пользу гипотезы, объясняющей вымирание падением небесного тела, свидетельствует геологически мгновенное повышение уровня кислотности поверхностного слоя океана на мел-палеогеновой границе (снижение pH составило 0,2—0,3), выявленное при изучении изотопов бора в известковых оболочках ископаемых фораминифер. До этого момента уровень кислотности был стабильным в течение последних 100 тысяч лет мелового периода. За резким повышением кислотности последовал период постепенного нарастания щёлочности (повышение pH на 0,5), продолжавшийся до 40 тысяч лет от мел-палеогеновой границы. Возвращение кислотности к первоначальному уровню заняло ещё 80 тысяч лет. Такие явления могут быть объяснены снижением потребления щелочей в связи с вымиранием кальцинирующего планктона из-за быстрого закисления поверхностных вод ливневым выпадением SO₂ и NO_x, попавших в атмосферу в результате удара крупного болида[20].

В 2022 году изучение окаменелостей рыб позволило уточнить, что катастрофа произошла, когда в Северном полушарии была весна. Исследователи отмечают, что в этот период животные были максимально уязвимы и выхаживали потомство. В Южном полушарии животные, готовившиеся осенью к зимней спячке, могли пострадать меньше[21][22][23][24].

• Версия «многократного падения» (англ. multiple impact event), предполагающая несколько последовательных ударов[10]. Она привлекается, в частности, для объяснения того, что вымирание произошло не одномоментно (смотри раздел Недостатки гипотез). Косвенно в её пользу свидетельствует тот факт, что метеорит, создавший кратер Чиксулуб, был одним из осколков более крупного небесного тела[25]. Некоторые геологи считают, что кратер Шива на дне Индийского океана, датируемый примерно тем же временем, является следом падения второго гигантского метеорита, ещё большего[26], но эта точка зрения является дискуссионной. Существует компромисс между гипотезами удара одного или нескольких метеоритов — столкновение с двойной системой метеоритов. Параметры кратера Чикшулуб подходят для такого удара, если оба метеорита были меньше, но вместе имели примерно те же размер и массу, что и метеорит гипотезы одного столкновения[27].

• Взрыв сверхновой звезды либо близкий гамма-всплеск.

• Столкновение Земли с кометой. Именно этот вариант рассматривается в сериале «Прогулки с динозаврами». Известный американский физик Лиза Рэндалл связывает гипотезу падения кометы на Землю с влиянием темной материи[28].

Столкновения Земли с астероидом: художественное изображение

1. Усиление вулканической активности[29], с которой связывают ряд эффектов, которые могли бы повлиять на биосферу: изменение газового состава атмосферы; парниковый эффект, вызванный выбросом углекислого газа при извержениях; изменение освещённости Земли из-за выбросов вулканического пепла (вулканическая зима). В пользу этой гипотезы говорят геологические свидетельства о гигантском излиянии магмы в промежутке между 68 и 60 млн лет назад на территории Индостана, в результате которого образовались деканские траппы[30].
2. Резкое понижение уровня моря, произошедшее в последней (маастрихтской) фазе мелового периода («маастрихтская регрессия»).
3. Изменение среднегодовых и сезонных температур. Это было бы особенно актуально в случае действенности предположения об инерциальной гомойотермии крупных динозавров, которая требовала бы ровного тёплого климата[31]. Вымирание, однако, не совпадает по времени со значительным изменением климата[32], и, согласно современным исследованиям, динозавры были скорее полностью теплокровными животными (см. физиология динозавров).
4. Резкий скачок магнитного поля Земли.
5. Переизбыток кислорода в атмосфере Земли.
6. Резкое охлаждение океана.
7. Изменение состава морской воды.

1. Эпизоотия — массовая эпидемия.
2. Динозавры не смогли приспособиться к изменению типа растительности и отравились алкалоидами, содержащимися в появившихся цветковых растениях (с которыми, однако, сосуществовали в течение десятков миллионов лет, причём именно с появлением цветковых растений был связан эволюционный успех отдельных групп травоядных динозавров, освоивших новый биом травянистых степей).
3. На численность динозавров сильно повлияли первые хищные млекопитающие, уничтожая кладки яиц и детёнышей.
4. Вариация предыдущей версии о вытеснении нептичьих динозавров млекопитающими. Между тем, все меловые млекопитающие — очень мелкие, в основном насекомоядные животные. В отличие от завропсидов, которые благодаря целому ряду прогрессивных специализаций, включая появление чешуи и перьев, яиц в плотной оболочке и живорождения, сумели в своё время освоить принципиально новую среду — удалённые от водоёмов сухие ландшафты, млекопитающие не имели никаких принципиальных эволюционных преимуществ по сравнению с современными им рептилиями. Метаболизм как минимум некоторых динозавров был столь же интенсивен, как у млекопитающих, на что указывают изотопные, сравнительно-морфологические, гистологические и географические данные. Следует отметить, что очень сложно отличить наиболее обособившихся манирапторов от примитивных птиц, эти группы имели отличия на уровне семейств и отрядов, а не классов; в кладистике они рассматриваются как разные отряды одного класса завропсидов.
5. Иногда выдвигается гипотеза, что часть крупных морских рептилий могла не выдержать конкуренции с появившимися именно в это время акулами современного типа. Однако ещё в девоне акулы зарекомендовали себя как неконкурентоспособная в отношении более высокоразвитых позвоночных группа, будучи отодвинутыми на задний план костными рыбами. Очень крупные и довольно прогрессивные на фоне своих сородичей акулы возникали в позднем меловом периоде после упадка плезиозавров, но они быстро были вытеснены начавшими занимать освободившиеся ниши мозазаврами.

В русской палеонтологии популярна биосферная версия «великого вымирания», в том числе вымирания нептичьих динозавров[31]. Необходимо отметить, что большинство из выдвинувших её палеонтологов специализировались на изучении не динозавров, а других животных: млекопитающих, насекомых, и так далее. Согласно ей, основными исходными факторами, предопределившими исчезновение нептичьих динозавров и других крупных пресмыкающихся, стали:

1. Появление цветковых растений.
2. Постепенное изменение климата, вызванное дрейфом материков.

Последовательность событий, приведшая к вымиранию, представляется следующим образом:

• Цветковые растения, имеющие более развитую корневую систему и лучше использующие плодородие почвы, достаточно быстро повсеместно вытеснили прочие виды растительности. При этом появились насекомые, специализированные на питании цветковыми, а насекомые, «привязанные» к ранее существовавшим видам растительности, начали вымирать.
• Цветковые растения образуют дернину, являющуюся лучшим из природных подавителей эрозии. В результате их распространения снизилось размывание поверхности суши и, соответственно, поступление в океаны питательных веществ. «Обеднение» океана пищей привело к гибели значительной части водорослей, являвшихся основным первичным производителем биомассы в океане. По цепочке это привело к полному нарушению всей морской экосистемы и стало причиной массовых вымираний в море. Это же вымирание затронуло и крупных летающих ящеров, которые, по имеющимся представлениям, были трофически связаны с морем.
• На суше животные активно приспосабливались к питанию зелёной массой (кстати, и травоядные динозавры тоже). В малом размерном классе появились мелкие фитофаги-млекопитающие (типа современных крыс). Их появление привело к появлению и соответствующих хищников, которыми тоже стали млекопитающие. Малоразмерные хищники-млекопитающие были неопасны для взрослых динозавров, но питались их яйцами и детёнышами, создавая динозаврам дополнительные трудности в воспроизводстве. При этом охрана потомства для крупных динозавра практически неосуществима из-за слишком большой разницы в размерах взрослых особей и детёнышей.

• Из-за жёсткого ограничения на максимальный размер яйца (обусловленного допустимой толщиной скорлупы) у крупных видов динозавров детёныши рождались намного более лёгкими, чем взрослые особи (у самых крупных видов разница в массе между взрослыми и детёнышами составляла тысячи раз). А это означает, что все крупные динозавры в процессе роста должны были неоднократно менять свою пищевую нишу, причём на ранних этапах развития им приходилось конкурировать с более специализированными в определённых размерных классах видами[33]. Отсутствие передачи опыта между поколениями только усугубляло данную проблему.
• В результате дрейфа материков в конце мелового периода изменилась система воздушных и морских течений, что привело к некоторому похолоданию на значительной части суши и усилению сезонного температурного градиента, что заметно отразилось на биосфере. Динозавры, будучи специализированной группой, были наиболее уязвимы для таких изменений.

В результате всех перечисленных причин для нептичьих динозавров создались неблагоприятные условия, которые и привели к прекращению появления новых видов. «Старые» виды динозавров ещё некоторое время существовали, но постепенно вымерли полностью. Судя по всему, жёсткой прямой конкуренции динозавров и млекопитающих не было, они занимали разные размерные классы, существуя параллельно. Лишь после исчезновения динозавров млекопитающие захватили освободившуюся экологическую нишу, да и то не сразу.

Что любопытно, развитие первых архозавров в триасовом периоде сопровождалось постепенным вымиранием многих терапсид, высшие формы которых являлись по сути примитивными яйцекладущими млекопитающими[31].

Вышеперечисленные гипотезы могут дополнять друг друга, что некоторыми исследователями используется для выдвижения разного рода комбинированных гипотез. Например, удар гигантского метеорита мог спровоцировать усиление вулканической активности и выброс большой массы пыли и пепла, что в совокупности могло повлечь за собой изменение климата, а это, в свою очередь — изменение типа растительности и пищевых цепочек, и т. д.; изменение климата также могло быть вызвано понижением уровня Мирового океана. Деканские вулканы начали извергаться ещё до падения метеорита, однако в определённый момент частые и мелкие извержения (71 тысяча кубометров в год) сменились редкими и масштабными (900 миллионов кубометров в год). Учёные допускают, что смена типа извержений могла произойти под влиянием упавшего в то же самое время метеорита (с погрешностью в 50 тысяч лет)[34][35].

Известно, что у некоторых рептилий наблюдается явление зависимости пола потомства от температуры кладки яиц. В 2004 году группа исследователей из британского Университета Лидса, которую возглавляет Дэвид Миллер (англ. David Miller), предположила, что если подобное явление было характерно и для динозавров, то изменение климата всего на несколько градусов могло спровоцировать появление на свет особей только определённого пола (мужского, например), а это, в свою очередь, делает невозможным дальнейшее размножение[36].

Ни одна из перечисленных гипотез не может в полной мере объяснить весь комплекс явлений, связанных с вымиранием нептичьих динозавров и других видов в конце мелового периода.

Главные проблемы перечисленных версий следующие:

• Гипотезы фокусируются именно на вымирании, которое, как считает часть исследователей, шло теми же темпами, что и в предшествующее время, но при этом перестали образовываться новые виды в составе вымерших групп.
• Все импактные гипотезы (гипотезы ударного воздействия), в том числе астрономические, не соответствуют предполагаемой продолжительности его периода (многие группы животных начали вымирать задолго до конца мела, и есть доказательства существования палеогеновых динозавров, мозазавров и других животных). Переход тех же аммонитов к гетероморфным формам тоже свидетельствует о какой-то нестабильности. Очень может быть, что очень многие виды уже были подточены какими-то долговременными процессами и стояли на пути вымирания, а катастрофа просто ускорила процесс.

С другой стороны, следует иметь в виду, что продолжительность периода вымирания не может быть точно оценена из-за эффекта Синьора — Липпса, связанного с неполнотой палеонтологических данных (время захоронения последнего найденного ископаемого может не соответствовать времени исчезновения таксона).

• Часть гипотез имеют недостаточно фактических подтверждений. Так, не найдено никаких следов того, что инверсии магнитного поля Земли влияют на биосферу; нет убедительных доказательств того, что маастрихтская регрессия уровня Мирового океана могла вызвать массовое вымирание таких масштабов; нет доказательств резких скачков температуры океана именно в этот период; также не доказано, что катастрофический вулканизм, в результате которого образовались деканские траппы, был повсеместным, или что его интенсивность была достаточной для глобальных изменений климата и биосферы.

В вышеприведённом виде версия использует гипотетические представления о физиологии и поведении динозавров, при этом не сопоставляя все изменения климата и течений, имевшие место в мезозое, в конце мелового периода, а потому и не объясняет одновременное вымирание динозавров на изолированных друг от друга материках[37].