THE K-T EXTINCTION

Tracking the Course of Evolution

by Richard Cowen

HUOMAUTUS: Tämä on sivu 1 kolmisivuisesta asiakirjasta.

Tämä vuonna 1999 kirjoitettu tutkielma on luku kirjastani History of Life (Elämänhistoria), jonka on julkaissut Bostonissa, Massachusettsissa, Bostonissa, Massachusettsissa, vuonna 2000 ilmestynyt Blackwell Science. © Richard Cowen. Voit tulostaa kopion henkilökohtaiseen tai opetuskäyttöön, ja voit linkittää tälle sivustolle. Kuvitukset puuttuvat luvun tästä verkkoversiosta.
Cowen, R. 1994. Elämän historia. 2. painos. 460 s. Blackwell Scientific Publications, Cambridge, Massachusetts. Tämä on Blackwell Sciencen julkaisema fuksitason oppikirja. Copyright Richard Cowen 1994. Saatavilla osoitteesta Blackwell Science, 238 Main Street,Cambridge, Massachusetts 02142, puhelin 800-215-1000. Tietoja ja päivityksiä kolmannesta painoksesta.
Seuraavaksi on myös erillinen essee, joka on omistettu suurten sukupuuttojen yleiselle aiheelle, sekä Richard Cowenin suullisen esityksen hahmotelma.
Davisin Kalifornian yliopiston geologian laitoksella Richard Cowen pyrkii ylläpitämään muitakin kiinnostavia www-sivuja:

• Päivityksiä ja www-linkkejä KT:n sukupuuttoon kuolemista käsittelevään esseeseen
• Uusia KT:n sukupuuttoon kuolemista käsitteleviä viitteitä, jotka ovat ilmestyneet History of Life -teoksen julkaisemisen jälkeen.
• Päivityksiä ja www-linkkejä esseeseen aiheesta Extinction
• Uusia viitteitä aiheesta Extinction, jotka ovat ilmestyneet History of Life:n julkaisemisen jälkeen.
• Paleontology in the News: Web pages of current interest.

Dinosaurusten loppu: K-T sukupuuttoon kuoleminen

Lähes kaikki suuret selkärankaiset maapallolla, maalla, merellä ja ilmassa (kaikki dinosaurukset, plesiosaurukset, mosasaurukset ja lentosaurukset) kuolivat yhtäkkiä sukupuuttoon noin 65 Ma, liitukauden lopulla. Samaan aikaan suurin osa planktonista ja monet trooppiset selkärangattomat, erityisesti riuttaeläimet, kuolivat sukupuuttoon, ja monet maakasvit kärsivät vakavasti. Tämä sukupuuttoon kuoleminen merkitsi maapallon historiassa merkittävää rajaa, K-T- eli liitukauden ja tertiäärikauden välistä rajaa ja mesotsooisen kauden loppua. K-T:n sukupuuttoon kuoleminen oli maailmanlaajuinen, ja se vaikutti kaikkiin suuriin maanosiin ja valtameriin. Vieläkin kiistellään siitä, kuinka lyhyt tapahtuma oli. Geologisessa mielessä se oli varmasti äkillinen, ja se saattoi olla katastrofaalinen kenen tahansa mittapuulla.
Sukupuuttojen laajuudesta huolimatta emme kuitenkaan saa sortua ajattelemaan, että K-T-raja merkitsi katastrofia kaikille elollisille olennoille. Useimmat eliöryhmät selvisivät hengissä. Hyönteiset, nisäkkäät, linnut ja kukkivat kasvit maalla sekä kalat, korallit ja nilviäiset meressä jatkoivat valtavaa monimuotoistumistaan pian liitukauden päättymisen jälkeen. K-T:n uhreihin kuului suurin osa silloisista suurista eliöistä, mutta myös joitakin pienimpiä, erityisesti planktonia, joka tuottaa suurimman osan valtamerten alkutuotannosta.

TAKAISIN YLÖS
Dinosaurusten sukupuuttoa on selitetty monilla huonoilla teorioilla. Tässä luvussa kuvataan enemmän huonoa tiedettä kuin koko muussa kirjassa. Esimerkiksi vielä 1980-luvulla eräässä uudessa dinosaurusten sukupuuttoa käsittelevässä kirjassa esitettiin, että dinosaurukset viettivät liikaa aikaa auringossa, saivat harmaakaihin ja, koska ne eivät nähneet kovin hyvin, putosivat kallioilta kuolemaansa. Mutta olivatpa ne kuinka vakuuttavia tai typeriä tahansa, kaikki teoriat, jotka yrittävät selittää vain dinosaurusten sukupuuttoa, jättävät huomiotta sen tosiasian, että sukupuuttoja tapahtui maa-, meri- ja ilmaeläimistössä ja että ne olivat todella maailmanlaajuisia. K-T:n sukupuuttoon kuoleminen oli maailmanlaajuinen tapahtuma, joten meidän olisi tutkittava maailmanlaajuisesti vaikuttavia tekijöitä: maantieteellistä muutosta, valtamerten muutosta, ilmaston muutosta tai maan ulkopuolista tapahtumaa. Viimeisin K-T-sukupuuttoa koskeva työ on keskittynyt kahteen hypoteesiin, jotka viittaavat liitukauden väkivaltaiseen päättymiseen: suureen asteroiditörmäykseen ja jättiläismäiseen tulivuorenpurkaukseen.

Asteroidi- vai komeettatörmäys?

Meteoriitti, joka on tarpeeksi suuri, jotta sitä voitaisiin kutsua pieneksi asteroidiksi, iskeytyi Maahan juuri K-T-sukupuuton aikaan. Todisteet törmäyksestä löysivät ensimmäisenä Walter Alvarez ja kollegat. He havaitsivat, että juuri K-T:n rajalle kerrostuneissa kivissä on poikkeuksellisen paljon metallia iridiumia (kuva 18.1). Sillä ei näytä olevan merkitystä, laskettiinko rajakivet maalle vai meren alle. Tyynellämerellä ja Karibialla iridiumia sisältävä savi muodostaa kerroksen merenpohjan sedimenteissä; sitä esiintyy mannerjalustan kerrostumissa Euroopassa; ja Pohjois-Amerikassa Kanadasta Uuteen Meksikoon sitä esiintyy tulvatasanteille ja deltoihin laskeutuneissa hiilipitoisissa kivijaksoissa. Ajoitus on tarkka, ja iridiumkerros on tunnistettu yli sadassa paikassa eri puolilla maapalloa. Siellä, missä raja on merisedimenteissä, iridium esiintyy kerroksessa juuri viimeisten liitukauden mikrofossiilien yläpuolella, ja sen yläpuolella olevissa sedimenteissä on paleoseenin mikrofossiileja kainozooisen kauden varhaisimmasta vaiheesta.
Iridiumia esiintyy vain rajakivissä, ja se on siis kerrostunut yhdessä suuressa piikissä: hyvin lyhyessä tapahtumassa. Iridiumia esiintyy tavallisissa merenpohjan sedimenteissä mikroskooppisen pieniä määriä, mutta K-T-rajan iridiumpiikki on hyvin suuri. Iridium on maapallolla harvinaista, ja vaikka se voi konsentroitua sedimenttiin kemiallisten prosessien avulla, näin suuren iridiumpiikin on täytynyt syntyä jollakin epätavallisella tavalla. Iridium on maapallolla paljon harvinaisempaa kuin kulta, mutta K-T-rajan savessa iridiumia on yleensä kaksi kertaa niin paljon kuin kultaa, joskus enemmänkin. Samaa suurta suhdelukua esiintyy myös meteoriiteissa. Alvarezin ryhmä ehdotti siksi, että iridium hajosi maailmanlaajuisesti romupilvestä, joka muodostui, kun asteroidi iskeytyi jonnekin maapallolla.

Jokainen asteroidi, joka oli tarpeeksi suuri hajottaakseen arvioidun määrän iridiumia maailmanlaajuisessa piikissä K-T:n rajalla, saattoi olla läpimitaltaan noin 10 kilometriä (6 mailia). Tietokonemallit viittaavat siihen, että jos tällainen asteroidi törmäisi Maahan, se kulkisi ilmakehän ja valtameren läpi melkein kuin niitä ei olisi olemassa ja räjäyttäisi kuoreen noin 100 kilometrin levyisen kraatterin. Törmäyksen räjähdys levittäisi iridiumia ja pienimpiä roskia kaikkialle maailmaan, kun asteroidi höyrystyisi tulipalloksi. Jos piikki todellakin muodostui suuren törmäyksen seurauksena, mitä muita todisteita meidän pitäisi toivoa löytävämme kallioperästä? Tunnettuihin meteoriitin törmäysrakenteisiin liittyy usein fragmentteja järkyttyneestä kvartsista ja palloja (pieniä lasipalloja) (kuva 18.2). Lasi muodostuu, kun kohdekivi sulaa törmäyksessä, räjähtää ilmaan pisarasuihkuna ja jähmettyy lähes välittömästi. Geologisen ajan kuluessa lasipallot voivat hajota saveksi. Iskukvartsi muodostuu, kun kvartsikiteet joutuvat äkillisen suuren paineen aiheuttaman pulssin kohteeksi. Jos ne eivät kuumene tarpeeksi sulaviksi, niissä voi olla erikoisia ja erehtymättömiä mikrorakenteita (kuva 18.2, ylhäällä).
TAKAISIN YLÖS
Ympäri Pohjois-Amerikkaa K-T-rajan savi sisältää lasipalloja (kuva 18.2, alhaalla), ja aivan saven yläpuolella on ohuempi kerros, joka sisältää iridiumia yhdessä shokkikvartsin palasten kanssa. Kerros on vain muutaman millimetrin paksuinen, mutta yhteensä se sisältää pelkästään Pohjois-Amerikassa yli kuutiokilometrin verran shokkikvartsia. Järkyttyneen kvartsin vyöhyke ulottuu länteen Tyynen valtameren pohjalle, mutta muualla K-T-rajan kivilajeissa järkyttynyt kvartsi on harvinaista: joitakin hyvin pieniä fragmentteja esiintyy eurooppalaisissa kohteissa. Kaikki nämä todisteet viittaavat siihen, että K-T:n törmäys tapahtui Pohjois-Amerikassa tai sen läheisyydessä, ja iridium on peräisin höyrystyneestä asteroidista ja shokkikvartsi mannermaisista kivistä, joihin se törmäsi.
K-T:n törmäyskraatteri on nyt löydetty. Se on suunnilleen munanmuotoinen geologinen rakenne nimeltä Chicxulub, joka on hautautunut syvälle Meksikon Jukatanin niemimaan sedimenttien alle (kuva 18.3). Rakenteen läpimitta on noin 180 kilometriä, ja se on yksi suurimmista toistaiseksi varmuudella tunnistetuista törmäysrakenteista maapallolla. Chicxulubin rakenteeseen porattu porausreikä osui 380 metrin (yli 1 000 jalan) syvyydessä olevaan, kemialliselta koostumukseltaan outoon magmakiviin. Tämä kemia on voinut syntyä sulattamalla yhteen alueen sedimenttikivien sekoitusta. Chicxulubin alla oleva magmakivi sisältää runsaasti iridiumia, ja sen ikä on 65 miljoonaa vuotta, mikä on täsmälleen sama kuin K-T-raja.

Magneettisen kiven päällä on murskattua kivimassaa, luultavasti suurimpia eloonjääneitä jäännöshiukkasia, jotka putosivat takaisin kraatteriin sulamatta, ja sen päällä on tavallisia sedimenttejä, jotka muodostuivat hitaasti täyttämään kraatteria törmäysalueen peittäneissä matalissa trooppisissa merissä.
Tuntemattomiin törmäyskraattereihin liittyy usein tektiittejä sekä shokkiutunutta kvartsia ja pikkuruisia lasisfäärejä. Tektiitit ovat suurempia lasihelmiä, joilla on epätavallisia muotoja ja pintarakenteita. Ne muodostuvat, kun kivet sulavat hetkessä ja roiskuvat ulos törmäyspaikoilta suurina sulan lasin kokkareina, jotka sitten jäähtyvät pyöriessään ilmassa.
Haiti oli liitukauden lopulla noin 800 kilometrin päässä Chicxulubista (kuva 18.3). Belocissa ja muissa Haitin paikoissa K-T-rajaa merkitsee normaali mutta paksu (30 cm) savinen rajakerros, joka koostuu pääasiassa lasipalloista (kuva 18.2). Savikerroksen päällä on kerros turbidiittia, merenalaista maanvyörymämateriaalia, joka sisältää suuria kivenmurroksia. Osa fragmenteista näyttää pirstoutuneelta valtameren kuorelta, mutta niissä on myös pallomaisia, jopa 8 mm:n läpimittaisia keltaisen ja mustan lasin kappaleita, jotka ovat yksiselitteisesti tektiittejä. Belocin tektiitit ovat ilmeisesti muodostuneet noin 1300 °C:n lämpötilassa kahdesta eri kivilajista, ja ne on ajoitettu tarkalleen 65 miljoonaan metriin. Mustat tektiitit muodostuivat mannermaan vulkaanisista kivistä ja keltaiset tektiitit sulfaatti- ja karbonaattipitoisista evaporiittisedimenteistä. Chicxulubia ympäröivän Jukatanin kalliot ovat muodostuneet pääasiassa juuri tästä kivimateriaalien sekoituksesta, ja Chicxulubin alla olevissa magmakivissä on kemiallista koostumusta näiden kahden kivimateriaalin aikoinaan sulaneesta sekoituksesta. Turbidiitin yläpuolelle tulee ohut, vain noin 5-10 mm paksu punainen savikerros, joka sisältää iridiumia ja shokkikvartsia.
Voidaan selittää suuri osa näistä todisteista seuraavasti: asteroidi iskeytyi Chicxulubin kohdalla törmäämällä kasaan paksuja sedimenttejä matalassa meressä. Törmäys sulatti suuren osan paikallisesta kuoresta ja pamautti sulaa materiaalia ulospäin jopa 14 kilometrin syvyydestä pinnan alta. Pieniä sulan lasin palloja räjähti ilmaan matalassa kulmassa, ja ne putosivat ulos jättimäiselle alueelle, joka ulottui koilliseen aina Haitiin asti, useiden satojen kilometrien päähän, ja luoteeseen aina Coloradoon asti. Seuraavaksi seurasi hienojakoisempaa materiaalia, joka oli räjähtänyt korkeammalle ilmakehään tai avaruuteen ja putosi hitaammin karkeampien sirpaleiden päälle.

TAKAISIN YLÖS
Chicxulubin kraatterin munanmuoto osoittaa, että asteroidi iskeytyi matalassa kulmassa, noin 20°-30°, ja se roiskutti enemmän roskia luoteeseen kuin muihin suuntiin. Tämä selittää erityisesti Pohjois-Amerikan mantereen valtavat vauriot ja järkkyneen kvartsin vinoutuneen jakautumisen kauas Tyynellemerelle.
Muut läntisen Karibian alueella sijaitsevat kohteet viittaavat siihen, että normaalisti rauhalliset syvänmeren sedimentit häiriintyivät rajusti juuri liitukauden lopussa, ja häiriintyneissä sedimenteissä iridiumia sisältävä kerros on aivan niiden päällä. Monissa Pohjois-Meksikon ja Teksasin kohteissa sekä kahdessa Meksikonlahden pohjalle poratussa kohteessa on merkkejä valtameressä tapahtuneesta suuresta häiriöstä K-T-ajan rajalla. Joissakin paikoissa häiriintyneissä merenpohjan sedimenteissä on maakasvien tuoreiden lehtien ja puun fossiileja sekä 65 ma:n ikäisiä tektiittejä (kuva 18.4). Karibianmeren ympäristössä ja Yhdysvaltojen itäisen Atlantin rannikolla sijaitsevissa paikoissa olemassa olevat liitukauden sedimentit revittiin ja laskeutuivat uudelleen sotkuiseksi kasaksi, joka sisältää myös kemiallisesti erilaisia lasipalloja, järkyttyneitä kvartsifragmentteja ja iridiumpiikkiä. Kaikki tämä viittaa siihen, että suuri tsunami tai hyökyaalto vaikutti silloiseen valtameren reunaan, huuhtoi tuoreet maakasvit kauas merelle ja repi merenpohjan sedimentit, jotka olivat olleet koskemattomina miljoonia vuosia. Tuloksena syntynyttä outoa kivien sekoitusta on kutsuttu ”liitukauden ja tertiäärikauden cocktailiksi.”
Kun Chicxulub tunnistettiin, voitiin laskea, että iskukvartsi oli laukaissut iskun aiheuttaman korkeakulmaisen suihkun. Tämä ensimmäinen kuuma tulipallo lennätti höyrystyneitä ja sulaneita jäänteitä (mukaan lukien lasipalloja ja iridiumia) korkealle ilmakehän yläpuolelle, jotta ne laskeutuisivat viimeisenä ja globaalisti, kun se hitaasti ajautui alaspäin. Suuremmat, kiinteät ja sulat sirpaleet sinkoutuivat ulospäin matalammassa kulmassa, mutta eivät kovin kauas, ja ne laskeutuivat ensin ja paikallisesti (noin 15 minuutin matka Coloradoon!). Samaan aikaan pienempiä sirpaleita, mukaan lukien shokkikvartsia, puhallettiin ylöspäin kuuman tulipallon ja suurempien sirpaleiden väliin, ja ne laskeutuivat toiseksi ja alueellisesti (noin 30 minuutin matka Coloradoon). Törmäysenergia, vertailun vuoksi vetypommin räjähdyksiin, oli noin 100 miljoonaa megatonnia.

Jättiläismäinen tulivuorenpurkaus?

Juuri K-T:n rajalla uusi plume (luku 6) poltti tiensä maankuoren läpi lähellä Intian ja Afrikan välistä laattarajaa. Valtavat määrät basalttia tulvi ulos nykyisen Länsi-Intian Deccan-tasangon alueelle muodostaen valtavia laavakerrostumia, joita kutsutaan Deccan-ansoiksi. Tämän laavavirran valtava jatke laattarajan toisella puolella on nyt veden alla Intian valtameressä (kuvat 18.3 ja 18.5). Deccanin ansat peittävät nykyään 500 000 km2 (noin 200 000 neliömailia), mutta ne saattoivat peittää neljä kertaa suuremman alueen ennen kuin eroosio poisti ne joiltakin alueilta. Niiden eloonjäänyt tilavuus on 1 miljoona km3 (240 000 kuutiomailia), ja niiden paksuus on paikoin yli 2 km. Koko purkautunut tulivuoritilavuus, mukaan lukien vedenalaiset laavat, oli paljon tätä suurempi (kuva 18.5).
Lisäksi Dekkaanipurkaukset alkoivat yhtäkkiä juuri ennen K-T-rajaa. Purkausten huippu saattoi kestää vain noin miljoona vuotta (± 50 %), mutta tämä lyhyt aika osui K-T-rajalle. Purkautumisnopeus oli vähintään 30-kertainen Havaijin nykyisiin purkauksiin verrattuna, vaikka oletettaisiinkin, että purkautuminen oli jatkuvaa jopa miljoonan vuoden ajan; jos purkautuminen olisi ollut lyhyempää tai kouristelevaa, purkautumisnopeus olisi ollut paljon suurempi. Deccan Traps purkautui todennäköisesti Kilauean kaltaisina laavavirtoina ja suihkulähteinä eikä Krakataun kaltaisina jättimäisinä räjähdysmäisinä purkauksina. Arviot Deccan Trapsin laajuisten purkausten aiheuttamista tulivuoreista viittaavat kuitenkin siihen, että aerosolit ja tuhka olisivat helposti kulkeutuneet stratosfääriin. Deccan-pilvi on edelleen aktiivinen; sen kuuma piste sijaitsee nyt Réunionin tuliperäisen saaren alla Intian valtameressä.
Siten on olemassa vahvaa näyttöä lyhytikäisistä mutta jättimäisistä tulivuorenpurkauksista K-T-ajan rajalla. Jotkut ovat yrittäneet selittää kaikki K-T-rajan kivien piirteet näiden purkausten tuloksena. Todisteet maan ulkopuolisesta törmäyksestä ovat kuitenkin niin vahvat, että on ajanhukkaa yrittää selittää nämä todisteet pois tulivuoren vaikutuksina. Meidän olisi sen sijaan keskityttävä siihen, että K-T-raja osui samaan aikaan kahden hyvin dramaattisen tapahtuman kanssa. Deccanin ansat sijaitsevat K-T-rajan toisella puolella, ja ne muodostuivat ilmeisesti maapallon historian suuressa tapahtumassa. Asteroidi-isku tapahtui juuri K-T-ajan rajalla. Maapallon elämälle tapahtui varmasti jotain dramaattista, sillä geologit ovat määritelleet K-T-ajan rajan ja mesotsooisen kauden lopun maalla ja meressä elävien olentojen suuren sukupuuton perusteella. Asteroiditörmäyksellä tai jättimäisten purkausten sarjalla tai molemmilla olisi ollut suuria maailmanlaajuisia vaikutuksia ilmakehään ja säähän.
Etenkin fysiikan tutkijoiden keskuudessa vallitsee käsitys, että jos pystymme osoittamaan, että K-T:n rajalla tapahtui fysikaalinen katastrofi, meillä on automaattinen selitys K-T:n sukupuuttoon kuolemiselle. Mutta tämä yhteys on osoitettava, ei vain oletettava. Meidän on vielä kysyttävä, mikä katastrofi, jos jompikumpi, aiheutti K-T:n sukupuuttoon kuolemisen, ja jos aiheutti, niin miten?

JATKUU sivulle 2

Mitä?