دانشمندان گرم شدن اقیانوس‌ها و کاهش اکسیژن را عامل بزرگترین انقراض جمعی زمین می‌دانند

تقریباً ۲۵۲ میلیون سال پیش، اقیانوس‌های زمین به میدان آزمایشی مرگبار برای فیزیولوژی حیوانات تبدیل شدند. در طول انقراض جمعی پرمین-تریاس، که اغلب از آن به عنوان «مرگ بزرگ» یاد می‌شود، تخمین زده می‌شود که ۹۶ درصد از کل گونه‌های دریایی و ۷۰ درصد از حیوانات خشکی از بین رفتند. برای دهه‌ها، دیرینه‌زیست‌شناسان در مورد سازوکار دقیق کشتار پشت این رویداد آخرالزمانی بحث کرده‌اند و به دنبال محرک محیطی خاصی بوده‌اند که چنین فروپاشی اکولوژیکی تقریباً کاملی را ایجاد کرد. در حالی که سوابق فسیلی به وضوح مقیاس عظیم این ویرانی را مستند می‌کند، اما در طول تاریخ برای توضیح ماهیت انتخابی این مرگ و میر با مشکل مواجه بوده است.[3][4]

معمای اصلی «مرگ بزرگ» در تأثیر نامتوازن آن در سراسر درخت تکاملی نهفته است. قبل از انقراض، کف دریا تحت سلطه «فونای پالئوزوئیک» (Paleozoic fauna) بود—ارگانیسم‌های کُندرو و فیلترکننده مانند بازوپایان (brachiopods) و سوسن‌های دریایی که تقریباً ۲۸۰ میلیون سال شکوفا شده بودند. با این حال، هنگامی که فاجعه رخ داد، این گروه‌های غالب تقریباً به طور کامل محو شدند. در همین حال، مجموعه‌ای متفاوت از حیوانات، از جمله اجداد صدف‌ها، حلزون‌ها و توتیای دریایی امروزی، توانستند از این گلوگاه جان سالم به در ببرند. امروزه، این «فونای مدرن» (Modern fauna) بر اقیانوس‌ها تسلط دارند و دانشمندان را وادار می‌کند تا بپرسند چه ویژگی‌های آناتومیکی یا متابولیکی خاصی به آن‌ها اجازه داد تا در زمانی که طبقه حاکم دریاهای پرمین نتوانستند، دوام بیاورند.[5][6]

یک مطالعه برجسته که این هفته در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شد، قطعی‌ترین پاسخ را تا به امروز ارائه کرده است. این شواهد، که توسط محققان دانشگاه استنفورد رهبری شده است، تأیید می‌کند که ترکیبی مرگبار از گرم شدن اقیانوس‌ها و کاهش شدید اکسیژن، عامل اصلی انقراض جمعی بوده است. تیم تحقیقاتی با ترکیب آزمایش‌های فیزیولوژیکی بر روی حیوانات دریایی زنده با مدل‌سازی پیشرفته دیرینه‌اقلیمی، با موفقیت آستانه‌های متابولیکی دقیقی را که بازماندگان را از تلف‌شدگان جدا می‌کرد، ترسیم کردند. این یافته‌ها چارچوبی جامع ارائه می‌دهند که نه تنها توضیح می‌دهد که اقیانوس‌ها مردند، بلکه دقیقاً نشان می‌دهد که چگونه سازوکار بیولوژیکی حیات دریایی باستانی از کار افتاد.[1][2]

آبشار فروپاشی محیطی با فوران‌های آتشفشانی عظیمی در منطقه‌ای معروف به «تله‌های سیبری» (Siberian Traps) آغاز شد. این دوره طولانی از فعالیت شدید آتشفشانی، مقادیر سرسام‌آوری دی‌اکسید کربن، متان و ترکیبات گوگرد را به جو زمین تزریق کرد. اثر گلخانه‌ای حاصل، باعث افزایش سریع و شدید دمای جهانی شد و شیمی و فیزیک اقیانوس‌های جهان را به طور اساسی تغییر داد. با گرم شدن سیاره، اقیانوس‌ها بخش زیادی از گرمای اضافی را جذب کردند و صحنه را برای یک بحران فیزیولوژیکی که در طول هزاره‌های بعدی آشکار می‌شد، آماده ساختند.[3][7]

سازوکار اصلی که توسط تیم استنفورد شناسایی شد، پدیده‌ای است که به عنوان «تله متابولیک» شناخته می‌شود. فیزیک آب دریا حکم می‌کند که با افزایش دمای آب، ظرفیت آن برای نگهداری گازهای محلول کاهش می‌یابد و منجر به اکسیژن‌زدایی گسترده می‌شود. همزمان، ارگانیسم‌های دریایی خونسرد رابطه مستقیمی بین دمای آب و نرخ متابولیسم خود تجربه می‌کنند. با گرم شدن اقیانوس‌ها، متابولیسم داخلی این موجودات باستانی مجبور به فعالیت بیش از حد شد. این وضعیت یک پارادوکس مرگبار ایجاد کرد: درست در زمانی که اکسیژن اقیانوس گرم شده در حال از دست رفتن بود، حیوانات ساکن در آن به طور قابل توجهی به اکسیژن بیشتری برای بقا نیاز داشتند.[1][2]

برای آزمایش این فرضیه، محققان به داده‌های فیزیولوژیکی نیاز داشتند که نمی‌توان آن‌ها را از پوسته‌های فسیل‌شده استخراج کرد. آن‌ها به نمونه‌های زنده روی آوردند—نمایندگان مدرن گروه‌های حیوانی که بر اقیانوس‌های پرمین تسلط داشتند. این تیم کار میدانی گسترده‌ای انجام داد و بازوپایان زنده را از جزایر سن خوان (San Juan) در ایالت واشنگتن جمع‌آوری کرد. این ارگانیسم‌ها، که شباهت زیادی به اجداد باستانی خود دارند، برای انجام آزمایش‌های متابولیکی دقیق به آزمایشگاه آورده شدند. دانشمندان با قرار دادن بازوپایان در محفظه‌های تخصصی اندازه‌گیری تنفس (respirometry)، توانستند مصرف اکسیژن آن‌ها را با افزایش تدریجی دمای آب به دقت نظارت کنند.[2][6]

نتایج آزمایشگاهی یک تقسیم‌بندی فیزیولوژیکی آشکار را نشان داد که کاملاً منعکس‌کننده سوابق فسیلی است. آزمایش‌ها نشان داد که فونای پالئوزوئیک، که با متابولیسم کُندشان مشخص می‌شوند، در واقع کاملاً قادر به زنده ماندن در محیط‌های کم‌اکسیژن تحت شرایط دمایی عادی و خنک هستند. با این حال، معماری بیولوژیکی آن‌ها هنگامی که دما به شدت افزایش یافت، به یک نقطه ضعف مرگبار تبدیل شد. از آنجایی که آن‌ها فاقد آبشش‌های فعال و قوی و عضلات پیشرفته گردش خون بودند، این فیلترکننده‌های کُندرو عملاً قادر به پمپاژ کافی آب کم‌اکسیژن بر روی سطوح تنفسی خود برای برآوردن تقاضاهای متابولیکی ناگهان سر به فلک کشیده‌شان نبودند.[2][3]

در مقابل، اجداد دوکفه‌ای‌ها (bivalves) و حلزون‌های مدرن مجموعه‌ای متفاوت از ویژگی‌های تکاملی را داشتند. این «فونای مدرن» به طور کلی نیازهای انرژی پایه بالاتری داشتند، که ظاهراً آن‌ها را در برابر کاهش اکسیژن آسیب‌پذیرتر می‌ساخت. اما نکته حیاتی این بود که ساختار بدن آن‌ها برای فعالیت فیزیکی بیشتر سازگار شده بود. هنگامی که اقیانوس‌های پرمین گرم شدند و سطح اکسیژن به شدت کاهش یافت، این حیوانات ابزارهای آناتومیکی—آبشش‌های کارآمدتر و سیستم‌های گردش خون قوی‌تر—را برای جبران فعال محیط در حال تغییر در اختیار داشتند. آن‌ها می‌توانستند از نظر فیزیکی سخت‌تر کار کنند تا اکسیژن لازم را از دریاهای خفه‌کننده استخراج کنند و به آن‌ها اجازه داد تا از گلوگاهی که رقبایشان را ریشه‌کن کرد، جان سالم به در ببرند.[5][6]

برای تأیید یافته‌های آزمایشگاهی خود، محققان این داده‌های فیزیولوژیکی جدید را در یک مدل پیچیده سیستم زمین ادغام کردند که برای شبیه‌سازی انتقال اقلیمی پایان دوره پرمین طراحی شده بود. این مدل دریای باستانی پالئو-تتیس (Paleo-Tethys Sea) را بازسازی کرد و اقیانوسی را شبیه‌سازی نمود که تقریباً ۱۱ درجه سانتیگراد گرم شده بود و همزمان به دلیل تضعیف گردش اقیانوسی، مقادیر زیادی اکسیژن محلول را از دست داده بود. هنگامی که پروفایل‌های متابولیکی گروه‌های مختلف حیوانی در معرض این محیط شبیه‌سازی شده قرار گرفتند، پیش‌بینی‌های مدل کاملاً با سوابق فسیلی واقعی مطابقت داشت.[1][6]

شبیه‌سازی تأیید کرد که نرخ انقراض به شدت علیه گروه‌های آسیب‌پذیر پالئوزوئیک متمایل بود. علاوه بر این، مدل توزیع جغرافیایی مرگ و میر را به دقت پیش‌بینی کرد. تلفات برای هر دو گروه اصلی به طور قابل توجهی به سمت قطب‌ها افزایش یافت، که با الگوهای گسترده زیست‌جغرافیایی حفظ شده در سوابق سنگی مطابقت دارد. این همسویی مکانی تأیید قدرتمندی ارائه می‌دهد که تلاقی افزایش دما و کاهش اکسیژن، سازوکار اصلی کشتار بوده است، زیرا مناطق قطبی برخی از چشمگیرترین تغییرات را در این خطوط پایه محیطی تجربه کردند.[1][6]

در حالی که این مطالعه گرمایش و اکسیژن‌زدایی را به عنوان عوامل اصلی «مرگ بزرگ» تثبیت می‌کند، محققان در مورد نقش دقیق اسیدی شدن اقیانوس‌ها، عدم قطعیت شفافی را حفظ می‌کنند. هجوم عظیم دی‌اکسید کربن آتشفشانی بدون شک pH اقیانوس‌های پرمین را کاهش داد و شرایط اسیدی ایجاد کرد که به شدت به ارگانیسم‌هایی که برای ساختن پوسته‌های خود به کربنات کلسیم متکی بودند، فشار وارد می‌کرد. با این حال، ایزوله کردن (جدا کردن) عوارض فیزیولوژیکی خاص اسیدی شدن از تأثیر غالب تله متابولیک، همچنان یک چالش پیچیده در دیرینه‌زیست‌شناسی باقی می‌ماند، زیرا سوابق فسیلی اغلب این عوامل استرس‌زای همپوشان را با هم مخلوط می‌کند.[3][4]

با وجود این ظرافت، شواهد به وضوح نشان می‌دهد که ظرفیت تنفسی و انعطاف‌پذیری متابولیک یک حیوان، داوران نهایی بقا بودند. تغییر اکولوژیکی دائمی بود؛ فونای پالئوزوئیک هرگز جایگاه غالب خود را بازنیافتند. امروزه، تنها حدود ۴۰۰ گونه از بازوپایان در اقیانوس‌های جهان باقی مانده‌اند که به محیط‌های خاص و محدود رانده شده‌اند. در همین حال، دوکفه‌ای‌هایی که از رویداد انقراض جان سالم به در بردند، به تخمین ۱۰,۰۰۰ تا ۱۵,۰۰۰ گونه متنوع شده‌اند و ساختار اکوسیستم‌های دریایی را برای ۲۵۰ میلیون سال آینده به طور اساسی بازسازی کرده‌اند.[1][4]

پیامدهای این تحقیق فراتر از کنجکاوی تاریخی است و به عنوان یک هشدار آشکار و مبتنی بر شواهد برای آینده اقیانوس‌های مدرن عمل می‌کند. محققان تأکید می‌کنند که شرایط محیطی پیش از «مرگ بزرگ»—یک اقیانوس نسبتاً خنک و با اکسیژن کافی—شباهت زیادی به وضعیت اقیانوس‌های زمین قبل از انقلاب صنعتی دارد. تزریق ناگهانی و عظیم گازهای گلخانه‌ای که انقراض پرمین-تریاس را آغاز کرد، یک مشابهت مستقیم، هرچند شدید، برای انتشار کربن انسانی کنونی است.[3][5]

نگران‌کننده‌ترین تفاوت بین انقراض باستانی و تغییرات آب و هوایی مدرن، سرعت محض تغییر محیطی است. در طول «مرگ بزرگ»، دمای جهانی ۸ تا ۱۲ درجه سانتیگراد افزایش یافت، اما این گرمایش در طول چندین هزار سال رخ داد. پیش‌بینی‌های بدترین حالت اقلیمی کنونی نشان می‌دهد که فعالیت‌های انسانی می‌تواند گرمایشی با همان مقیاس را ایجاد کند، اما در یک چارچوب زمانی زمین‌شناسی میکروسکوپی، یعنی تنها ۱۰۰ تا ۲۰۰ سال، فشرده شده است. این سرعت شتابان، تنها کسری از زمان را برای سازگاری یا مهاجرت به حیات دریایی مدرن می‌دهد.[4][6]

با حل معمای اینکه چرا برخی حیوانات در حالی که برخی دیگر از بزرگترین انقراض جمعی تاریخ زمین جان سالم به در بردند، از بین رفتند، دانشمندان ابزار پیش‌بینی حیاتی به دست آورده‌اند. چارچوب فیزیولوژیکی ایجاد شده توسط این مطالعه اکنون می‌تواند در اکوسیستم‌های دریایی مدرن به کار رود و به حافظان محیط زیست کمک کند تا گونه‌هایی را که در برابر تهدیدات ترکیبی گرمایش و اکسیژن‌زدایی آسیب‌پذیرتر هستند، شناسایی کنند. از آنجایی که اقیانوس‌ها همچنان بار اصلی انتشار کربن جهانی را جذب می‌کنند، درک این آستانه‌های متابولیکی باستانی ممکن است بهترین دفاع ما در جلوگیری از تکرار مدرن «مرگ بزرگ» باشد.[2][5]