Udtynding af ozonlaget kan have drevet Jordens største masseudryddelse for 252 millioner år siden

Fyrretræer bliver midlertidigt sterile, når de udsættes for ultraviolet stråling, så intens som nogle forskere mener, at Jorden oplevede for 252 millioner år siden under planetens største masseudryddelse. støtte til teorien om, at ozonnedbrydning bidrog til krisen.

Virkningen af ​​høj UV på nåletræer og potentielt andre træer tyder også på forsigtighed i dag ved at indføre kemikalier, der nedbryder Jordens ozonlag, som endnu ikke er kommet sig efter et globalt forbud mod chlorfluorcarbon-kølemidler i 1980'erne, der blev indført efter ozonhuller udviklet over polerne. Nogle industrielle kemikalier ødelægger også atmosfærisk ozon, som er planetens solcreme, beskytter alt liv mod overdreven UV-stråler, især UV-B bølgelængder, som forårsager mutationer i DNA.

Resultater af eksperimentet, som blev udført af University of California, Berkeley kandidatstuderende Jeffrey Benca, offentliggøres 7. februar i online-tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Benca bestrålede 18 tommer høj, bonsai-lignende fyrretræer med UV-B doser op til 13 gange stærkere end på Jorden i dag, simulering af virkningerne af ozonnedbrydning forårsaget af enorme vulkanudbrud, der fandt sted i slutningen af ​​Perm-perioden. I løbet af det to måneder lange forsøg, ingen af ​​træerne døde, men alle frøkogler, eller fyrretræer, forsvandt kun få dage efter opstået, efterlader træerne sterile.

Når den placeres udenfor, træerne genvandt evnen til at producere sunde frøkegler i senere år.

Forskere har foreslået, at ozonnedbrydning forårsaget af periodiske vulkanudbrud over næsten en million år var en årsag til udryddelsen af ​​Perm. men hvordan har været uklart. Sur regn ville have været en lokal effekt, men udryddelsen af ​​næsten 70 procent af kendte landdyr, 95 procent af livet i havet og mange planteslægter var globale.

Tidligere palæoklima-modelleringsstudier tyder på, at vulkanudbrud kunne have udslettet ozonlaget på verdensplan, dog midlertidigt. Alligevel, selv om gamle træer genvandt deres frugtbarhed, gentagne anfald af sterilitet kunne have hæmmet befolkningstilvæksten over tid, fører til kollaps af biosfæren over hele planeten, ifølge Benca.

Langsigtet biosfærekollaps

"Under den ende-permiske krise, skovene kan være helt eller delvist forsvundet på grund af øget UV-eksponering, " sagde Benca. "Med pulser af vulkanudbrud sker, vi ville forvente svækkelse af pulserende ozonskjold, som kan have ført til skovfald, der tidligere er observeret i fossilrekorden. "

"Hvis du afbryder nogle af de dominerende plantelinjer globalt gentagne gange, du kan udløse trofiske kaskader ved at destabilisere fødevarebasen, hvilket ikke fungerer særlig godt for landdyr, " han tilføjede.

Overraskelsesresultaterne fortæller forskere noget om tidligere udryddelser og Jordens fremtidsudsigter som klimaændringer, habitatødelæggelse og forurening satte os klar til Jordens sjette masseudryddelse.

"Palæontologer har fundet på forskellige drabsscenarier for masseudryddelse, men plantelivet påvirkes måske ikke af at dø pludseligt så meget som ved at afbryde en del af livscyklussen, såsom reproduktion, over en længere periode, får befolkningen til at svinde ind og potentielt forsvinde, " sagde medforfatter Cindy Looy, en UC Berkeley lektor i integrativ biologi.

"Globale biodiversitetskatastrofer handler ikke om død, men om beskæring af evolutionære grene på livets træ med en hastighed, der er meget højere end spiren af ​​nye skud, "tilføjede medforfatter Ivo Duijnstee, adjungeret adjunkt i integrativ biologi. "Jeff, der brugte sine plantevækstkamre som en tidsmaskine til at teste potentialet i en hypotese om, hvad der kan være sket for 252 millioner år siden, giver et glimrende eksempel, der illustrerer, hvordan den langsomt udfoldede udryddelse på land over måske titusinder eller hundredtusinder af år kan være forårsaget af reproduktionsproblemer i bunden af ​​fødekæden."

Sibiriske vulkaner

Udryddelsen i slutningen af ​​Perm menes at være forårsaget af vulkanudbrud i Sibirien over hundredtusinder, hvis ikke en million år, der producerede det, der i dag er kendt som de sibiriske fælder:lavafelter, der dækker store dele af det nordlige Rusland og oprindeligt omfattede næsten 3 millioner kvadrat miles med en gennemsnitlig tykkelse på omkring 1, 000 fod.

I 2004 Looy og hendes tidligere ph.d. rådgiver Henk Visscher foreslog en måde, hvorpå dette kunne have udspillet sig, baser på fossiliserede unormale plantesporer fundet over hele verden:vulkanske gasser - halogencarboner som methylchlorid og methylbromid - ødelagde meget eller hele Jordens ozonlag, at øge UV-B-eksponering, som ville have påvirket livet og potentielt øget de genetiske mutationsrater i pollen og sporer fra planter verden over.

Beviser for denne hypotese voksede i 2005, da et uafhængigt forskerhold ledet af Clinton Foster fra Geoscience Australia opdagede misdannede pollenkorn fra frøplanter fra ende-perm. Stigningen i procentdelen af ​​misdannet pollen, som ses på både den nordlige og sydlige halvkugle, faldt sammen med skovenes tilbagegang globalt.

Det er umuligt at finde beviser for misdannelsesmekanismer i 252 millioner år gamle pollenfossiler. så Looy og andre har ledt efter andre måder at afgøre, om øget UV-B forstyrrede det end-permiske økosystem. Benca kom op med en række eksperimenter med levende planter til at teste hypotesen.

Det første eksperiment, ved hjælp af fyrretræer, blev designet til at finde ud af, om høje niveauer af UV-B kunne forårsage misdannede pollenkorn i nutidens frøplanter svarende til dem, der er beskrevet af Foster, og om disse misdannelser kan påvirke reproduktionen. At presse et modent fyrretræ ind i et laboratorium var et problem, indtil Benca fandt på en ny løsning:Brug af en dværgkultivar udvalgt til bonsai, der let producerer pollen og frøkogler.

I 2013 han transporterede 60 dværg klonale fyrretræer til Berkeley fra en nåletræsplanteskole i Boring, Oregon. Efter at have akklimatiseret dem i et år udendørs i fuld sol med sparsomt vand og næringsfattig jord - typiske forhold for denne alpeart, Pinus mugo - kørte et 56-dages indendørs eksperiment med høj-intensitet UV-B-emitterende lamper.

I tre separate indendørs UV-kamre, Benca udsatte dværgfyrene for 7,5, 10 og 13 gange Berkeleys normale UV-B-intensitet, i overensstemmelse med skøn over, hvilken indvirkning Siberian Trap-udbrud ville have haft på ozonlaget, hvis deres emissioner fandt sted over forskellige tidsrum, fra 400,- 000 år til mindre end 200, 000 år.

Ja, fyrretræerne producerede misdannet pollen. Ved medium og ekstrem eksponering, 12 til 15 procent af pollenkornene var forkerte, mod 3 procent i normale og laveksponerede træer. Fosters tidligere undersøgelse antydede, at pollenudbytte med mere end 3 procent misdannede korn er forbundet med miljøbelastning i moderne nåletræer, sagde Benca. I alt, han brugte tre år på at udføre eksperimenterne og sammenligne mere end 57, 000 pollenkorn produceret af træer i kamrene.

Til forskernes forbløffelse, imidlertid, alle træer, der blev udsat for øgede UV-niveauer, blev sterile. Deres frøkegler skrumpede op, før de havde en chance for at blive befrugtet. Dette så ud til at være en systemisk reaktion på UV-B stress, da selv frøkogler gemt blandt løv døde.

"Det system, vi brugte, var egentlig ret konservativt, " sagde Benca. "I modsætning til de relativt ubeskyttede frøbærende strukturer af berørte ende-permiske frøplanter, nutidens fyrretræer er komplicerede og meget kraftigt forstærkede, sammenlåsende kegleskalaer, der beskytter deres frø mod rovdyr og det ydre miljø. Ikke desto mindre, disse træer droppede bare alle deres frøkegler. Pinus mugo er en alpeart, der burde være ret modstandsdygtig over for øgede UV -niveauer. "

"At Jeff's UV-B-blast-eksperiment-lidt af et beregnet langskud-frembragte pollenabnormiteter i en moderne nåletræ, der lignede abnormiteter observeret i 252 millioner år gamle mikrofossiler, var en af ​​de mest spændende ting, jeg har set i dette årti, " sagde Duijnstee.