Evoluutiospurtti Chicxulubin jälkeen
“Ainoa merkittävä tapahtuma maapallon historiassa, joka oli nopeampi kuin käynnissä oleva ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos, oli liitukauden lopun joukkosukupuutto noin 66 miljoonaa vuotta sitten.” Toiset ne osaavat aloittaa tieteellisen artikkelinkin räväkästi.
Tuo vapaasti suomentamani mainio virke löytyy maaliskuun Geology-lehdessä olevasta artikkelista New species evolved within a few thousand years of the Chicxulub Impact. Chicxulubin asteroiditörmäyksen jälkimaininkeja käsittelevän jutun takana on paleomerentutkija Christopher M. Loweryn johtama amerikkalaisjoukko.
Enimmälle osalle tämän blogin lukijoista Chicxulubin perustarina lienee tuttu: 66 miljoonaa vuotta sitten matalaan meren alueelle, joka nykyisin sijaitsee Meksikossa Jukatanin niemimaalla ja sen edustalla, iskeytyi noin 10–15 km:n läpimittainen asteroidi. Törmäys tapahtui paksuihin sedimenttikerroksiin, minkä vuoksi sen ilmastovaikutukset olivat monin verroin pahemmat kuin vastaavan kokoluokan törmäyksissä muutoin. Seurauksena oli mm. maailmanlaajuinen törmäystalvi ja ilmastonmuutos, joka johti yhteen elämän historian viidestä suuresta joukkosukupuutosta. Noin kolme neljäsosaa kaikista lajeista katosi, mukaan lukien lentokyvyttömät dinosaurukset.
Törmäyksestä jäi jäljelle noin 180-kilometrinen Chicxulubin kraatteri, sekä ympäri maailmaa havaittava liitu- ja paleogeenikausien välinen kerrostuma (K/Pg-kerros, eli entiseen tertiäärikauteen viitaten K/T-kerros, joka terminä on näin vanhan jäärän mielestä paljon sujuvampi). Tästä K/T-kerroksesta löytyy mm. reippaasti iridiumia ja muita samankaltaisia platinaryhmän metalleja, pieniä lasipalleroja ja šokkimetamorfoosissa kärsineitä mineraaleja, kaikki merkkejä suuresta asteroiditörmäyksestä.
Loweryn ja kumppaneiden kiehtova artikkeli ei kuitenkaan käsittele Chicxulubin törmäystä tai kraatteria, tai oikeastaan edes K/T-kerrosta. Sen sijaan tarinan ytimessä on elämän paluu joukkotuhon jälkeen. Jotta jutun jujun voisi ymmärtää, on kuitenkin ensin syytä vilkaista pikaisesti pölyä, Aurinkoa ja valtamerten pohjia.
Planeettainvälinen pöly ja helium-3
Aurinkokunnassa risteilee planeettojen, asteroidien ja meteoroidien lisäksi valtavasti myös paljon pienempää tavaraa. Määritelmästä riippuen joko alle 30 tai 10 mikrometrin läpimittaisia kappaleita kutsutaan planeettainvälisiksi pölyhiukkasiksi (interplanetary dust particles, IDP).
Kun mennään pölyä vielä paljon pienempään tavaraan, päädytään aurinkotuuleen. Se koostuu lähinnä elektroneista ja protoneista, mutta mukana on myös α-hiukkasia eli heliumytimiä.
Heliumia on kahta pysyvää sorttia: tavallisen heliumin ytimessä on kaksi protonia ja kaksi neutronia. Tämä tunnetaan nimellä helium-4 (eli 4He). Toinen heliumin pysyvä muoto on helium-3 (3He), jonka ytimessä on kaksi protonia, mutta vain yksi neutroni. Myös tätä kevyttä heliumin tyyppiä on aurinkotuulessa, sillä Auringon energiantuotannosta vastaavat fuusioreaktiot tuottavat sitä huomattavat määrät.
Aurinkotuulen kuljettamilla heliumytimillä on sellainen kätevä ominaisuus, että ne takertuvat kivipölyyn. Siksi niitä on runsaasti planeettainvälisissä pölyhiukkasissa, samoin kuin esimerkiksi Kuun hienojakoisessa pinta-aineksessa. Maapallon pinnalle aurinkotuuli ei kuitenkaan onneksi pääse, kiitos Maan magneettikentän ja ilmakehän.
Maapallon helium onkin lähinnä tavallista helium-4:ää, koska sitä syntyy ihan normaalissa uraanin ja toriumin radioaktiivisessa hajoamisessa. Maan helium-3:n vähyys on sikäli harmillista, että se sopisi hyvin tulevaisuuden fuusioreaktoreiden polttoaineeksi. Siksi helium-3:a suunnitellaankin rikastettavan Kuun pinta-aineksesta ja tuotavan Maahan energianlähteeksi, kunhan vain fuusiovoima joskus olisi lähempänä kuin ainaisen 30 vuoden päässä tulevaisuudessa.
Kertauksena: planeettainvälisissä pölyhiukkasissa on aurinkotuulen ansiosta runsaasti helium-3:a. Maassa on radioaktiivisuuden seurauksena puolestaan runsaasti helium-4:ää. Näin ollen heliumin eri tyyppien eli isotooppien suhde, 3He/4He, on aivan erilainen kosmisissa pölyhiukkasissa ja Maan kivissä.
Merisedimentit
Geologien kannalta erittäin iloinen asia on, että planeettainvälisten pölyhiukkasten heliumisotooppisuhde säilyy, vaikka pölyhiukkanen tulee ilmakehän läpi ja hautautuu merenpohjan sedimentteihin. Kosmisten pölyhiukkasten heliumisotooppisuhteet eivät muutu miksikään useammassa sadassa miljoonassa vuodessa tai edes löyhien merisedimenttien puristuessa esimerkiksi kovaksi kalkkikiveksi.
Tämänkertaisen tarinan kannalta tärkeä piirre planeettainvälisessä pölyssä on vielä se, että ainakin viimeisten satojen miljoonien vuosien aikana sitä on satanut Maahan hyvin tasaista tahtia. Asteroidien hajoamisten yhteydessä on kylläkin havaittu Maan muinaisista kerrostumista pölypiikkejä, mutta pääsääntöisesti pölyä kertyy vakionopeudella.
Syvällä valtameren pohjalla kaukana litosfäärilaattojen reunoilta geologinen toiminta on varsin verkkaista. Aaltojen, vuorovesien tai jokien toiminta ei sinne asti yllä, ja merenpohjan korkeusvaihtelutkin ovat vähäisiä. Pohjalle kertyy lähinnä mikroskooppisten merieliöiden jäänteitä, merivedestä kiteytyviä mineraaleja ja mereen satanutta pölyä, tuleepa se sitten avaruudesta tai manneralueilta. Siksi merisedimentit ovat lähtökohtaisesti melkoisen luotettava menneen maailman olosuhteiden tietovarasto.
Harmillista kyllä, syvänmeren sedimenttien ja niistä syntyneiden sedimenttikivien tarkan iän määrittäminen ei ole helppoa. Onneksi ikäysmenetelmiä on kuitenkin monia, ja ne täydentävät toisiaan. Pitkästä sedimenttisarjasta voidaan esimerkiksi määrittää sen magneettinen kerrosjärjestys. Maapallon magneettiset navat ovat pyörähtäneet ympäri kymmeniä kertoja viimeisen vajaan parinsadan miljoonan vuoden aikana. Tietyn ikäisen sedimenttisarjan magneettinen kerrosjärjestys on ideaalitilanteessa kaikkialla aina samanlainen, joten vertailemalla tutkittavan sedimenttipinkan magneettista ”viivakoodia” tunnettuun vertailuaineistoon, voidaan sedimenttien ikä määrittää. Menetelmä ei kuitenkaan ole erityisen tarkka.
Tarkimpia ikiä merisedimenteistä tarjoavat yleensä tulivuorten tuhkakerrostumat. Tämä johtuu siitä, että tuhka sisältää mineraaleja, jotka voidaan ajoittaa radioaktiivisuuteen perustuvilla menetelmillä. Geologisessa mielessä tuhkakerrostumien synty on hetkellinen tapahtuma, ja isommat tulivuorenpurkaukset levittävät tuhkaa hyvin laajalle alueelle. Siksi tuhkakerrokset ovat erittäin hyödyllisiä ajoittamisen kannalta.
Hyvin usein merisedimenttien ainoa ajoituskeino ovat kuitenkin mikrofossiilit. Mikropaleontologit ovat parinsadan vuoden aikana kasanneet valtaisan tietopankin, jonka perusteella tiedetään, milloin mikäkin mikrofossiili on elänyt. Erityisesti tunnetaan mikrofossiilien keskinäinen esiintymisjärjestys (joka tosin monestakin syystä voi vaihdella), vaikka ei järin tarkoin tiedettäisikään, kuinka monta miljoonaa vuotta sitten jokin tietty laji sattui elämään.
Monista iänmääritysmenetelmistä huolimatta on kuitenkin erittäin hankalaa vastata luotettavasti kysymykseen, kuinka pitkä aika jonkin tietyn sedimenttikerroksen syntyyn on kulunut. Tässä kosminen pöly ja heliumisotoopit tulevat apuun.
Huokoseläinten evoluutioharppaus
Kauempana Chicxulubin kraatterista, etenkin itäisellä pallonpuoliskolla, K/T-raja näkyy tyypillisesti parisen senttiä paksuna savikerroksena, josta puuttuvat mikrofossiilit. Tavallisissa merellisissä kalkkikivikerrostumissa alkaa sen jälkeen näkyä harvoja pieniä joukkotuhosta selvinneiden eliöiden jäänteitä. Lopulta ilmestyvät ensimmäiset paleogeenikauden uudet lajit.
Erityisen tärkeä mikrofossiili on huokoseläin Parvularugoglobigerina eugubina (joka ymmärrettävästi kulkee yleensä nimellä P. eugubina), sillä sen ilmestymisestä katsotaan alkavan paleogeenikauden varhaisin ajanjakso eli Dania-aika. Mutta kuinka kauan Chicxulubin törmäyksestä kesti siihen, että P. eugubina ja muut paleoogeenikauden uudet lajit kehittyivät liitukautisista esivanhemmistaan?
Yleensä on tulkittu, että aikaa uusien paleogeenikauden lajien kehittymiseen olisi kulunut noin 30 000 vuotta. Tämä perustuu olettamukseen, että sedimentaationopeus olisi ollut vakio. Tavallisesti se onkin syvemmän meren ympäristöissä turvallinen lähtökohta. Joukkotuhon jälkeinen valtameri oli kuitenkin kemiallisesti ja ekologisesti täysin sekaisin. Tämä johti siihen, että heti K/T-joukkotuhon jälkeen karbonaatteja kerrostui pääosin poikkeuksellisen vähän, mutta paikallinen vaihtelu oli suurta. Vakiosedimentaationopeuteen perustuva aikalaskelma menee siksi väkisinkin mönkään.
Juuri tähän ongelmaan Lowery kumppaneineen tarttui. He tutkivat näytteitä ja aiempia analyysejä viiden hyvin tunnetun K/T-kerroksen yläpuolelta Italiasta, Espanjasta ja Tunisiasta, sekä itse Chicxulubin kraatterista. Oletuksena heillä oli, että sedimentaationopeus ei suinkaan välttämättä ollut vakio, mutta kosmisen pölyn kerrostumisnopeus oli, kuten alan tutkijat yleisesti olettavat. Kosminen pöly taas pystyttiin tunnistamaan 3He/4He-suhteesta. Mitä enemmän kosmista pölyä näytteessä oli, sitä pidempi aika sen kerrostumiseen oli siis kulunut. Aika joukkotuhosta uusien lajien ilmestymiseen saatiin lopulta yksinkertaisesti jakamalla kerrostuman paksuus sedimentaationopeudella.
Tulokset haastoivat vanhan viisauden. Loweryn ryhmän mukaan P. eugubina kehittyi jo noin 3500–11 100 vuotta, tai keskimäärin 6400 vuotta törmäyksen jälkeen. Hajontaa on ja virherajatkin ovat pahimmillaan parituhatta vuotta, mutta pääviesti on silti selvä: uusien lajien synty joukkotuhon jälkeen on olllut merkittävästi nopeampaa kuin on aiemmin kuviteltu.
Kyse ei myöskään ole pelkästään P. eugubinasta. Muutaman tuhannen vuoden aikana kehittyi jopa 20 uutta taksonia (siis lajia, sukua, heimoa, tms.). Nopeimmillaan uudet lajit ilmestyivät alle 2000 vuotta Chicxulubin katastrofin jälkeen. Perinteisesti paleontologiassa on ajateltu, että täysin uuden lajin synty vie keskimäärin ehkä parisen miljoonaa vuotta, ja oikein nopeissa tapauksissa lajiutuminen on tapahtunut noin 600 000 vuodessa. Tämä on pari suuruusluokkaa kauemmin kuin mitä K/T-tuhon jälkeen näyttää ainakin yksisoluisten merieliöiden kohdalla tapahtuneen.
Miksi sitten evoluutio oli heti Chicxulubin jälkeen niin kiihkeää? Kun yhtäkkiä meri oli autio ja tyhjä (ja pimeys oli syvyyden päällä), tarjolla oli runsaasti ekologisia lokeroita täytettäviksi. Kun ympäristö on stressaava, mutta kilpailua ei juuri ole, voi evoluutio ottaa tilanteesta kaiken ilon irti ((evoluutio)biologit paheksunevat tätä yksinkertaistusta). Nykyisin elävien huokoseläinten on huomattu vaihtelevan muodoiltaan enemmän silloin, kun ne lisääntyvät suvuttomasti. Suvuton lisääntyminen taas on todennäköisintä kun porukkaa on vähän, sillä harvassa populaatiossa sukusolut eivät löytäisi toisiaan. Muotojen vaihtelu viittaa myös geneettiseen vaihteluun, joten tilanne on ollut erittäin suotuisa huokoseläinten poikkeuksellisen nopeaa lajiutumista varten.
Loweryn ryhmän tulokset tarjoavat äärimmäisen kiinnostavan näkymän lajien kehitykseen massiivisen sukupuuttoaallon jälkeen. Elämän joukkotuhoissa menetetään paljon, mutta samalla evoluutiolle avautuu mahdollisuuksia kokeilla kaikenlaista uutta, kaikestä päätellen myös poikkeuksellisen nopeasti.
Terve kriittisyys on kuitenkin näitäkin tuloksia tarkastellessa tarpeen, kuten erityisesti aina kun vanhoja käsityksiä ollaan heittämässä romukoppaan. Heliumin isotooppisuhteiden määritys ei ole helppoa hommaa, eikä sitä tehdä kovinkaan monessa laboratoriossa. Tässäkään tutkimuksessa ei uusia analyysejä tehty, vaan käytettiin aiemmin julkaistuja mittauksia. Joidenkin törmäystutkijoiden parissa heliumisotoopit herättävät jo lähtökohtaisesti lievää skeptisyyttä, joka kummunnee edelleen erittäin kiistanalaisesta heliumisotooppeihin pohjaavasta hypoteesista, jonka mukaan myöhäiseoseenikaudella syntyneet jättimäiset Chesapeake Bayn ja Popigain törmäyskraatterit olisivat olleet lyhytkestoisen komeettamyrskyn aikaansaannosta.
Joka tapauksessa Loweryn poppoon tutkimus vahvistaa käsitystä, että todella suuret asteroiditörmäykset – tai todistetusti ainakin Chicxulub – ovat olleet maapallon elämän kehityksen kannalta paitsi tuhoava tekijä, myös uutta luova voima. Hyvänolontunteeseen ei kuitenkaan parane tuudittautua. Juttunsa lopussa he nimittäin toteavat käynnissä olevaan kuudenteen suureen joukkosukupuuttoon viitaten, ettei edes tuhoa seuraava nopea lajiutuminen korvaa menetettyä lajien kirjoa.