2008-10-03
Około 4 miliardów lat temu ewolucja materii nieorganicznej na Ziemi doprowadziła do fenomenu na być może kosmiczną skalę: pojawiły się wczesne formy życia. W toku ewolucji formy te ulegały licznym przeobrażeniom.

Dane paleontologiczne dostarczają nam licznych dowodów na to, że zmiany ewolucyjne miały jednak różną intensywność. Okresy względnego zastoju ewolucyjnego przeplatały się z okresami bardziej burzliwymi, w czasie których wymierało wiele gatunków czy nawet całych linii rozwojowych. Pewnym zmianom ulegało na przestrzeni dziejów również tempo powstawania nowych gatunków, jednak dane paleontologiczne są w tym przypadku znacznie uboższe. Powstaje więc naturalnie pytanie o przyczynę takiej dynamiki zmian ewolucyjnych.

Szczególnie interesujące wydaje się być zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za występowanie tych najbardziej spektakularnych, obejmujących znaczną część ekosystemu, tzw. wielkich wymierań. Liczne teorie i hipotezy w tej dziedzinie wiążą wymierania gatunków z uderzeniami meteorów, wzmożoną aktywnością wulkaniczną czy zmianami klimatycznymi.Jednak teorie te nie są powszechnie akceptowane i często postęp badań zmusza uczonych do weryfikacji dotychczasowego stanowiska. Na przykład, za przyczynę wielkiego wymierania w Permie, w czasie którego wyginęło około 90% istniejących wtedy gatunków, do niedawna uważano zderzenie z meteorem lub asteroidą. Jednakże najnowsze badania pokazują, że wymieranie to było procesem na tyle rozciągniętym w czasie, że raczej nie mogło być spowodowane kolizją. Prawdopodobnie nie da się również utrzymać hipotezy, że przyczyną wielkiego wymierania dinozaurów na granicy Kredy i Trzeciorzędu było zderzenia z asteroidą.

Wieloletnie badania krateru Chicxulub w Meksyku, będącego pozostałością po tym zderzeniu pokazują, że miało ono miejsce około 300.000 lat przed okresem wielkiego wymierania. Tak duża różnica czasowa wydaje się wykluczać związek przyczynowo-skutkowy między tymi zjawiskami. Badanie wielkich wymierań zyskało dodatkowy impuls po tym, jak w latach 80. ubiegłego stulecia Raup i Sepkoski, opierając się na analizie danych paleontologicznych z ostatnich 250 mln. lat, zasugerowali, że wielkie wymierania pojawiają się mniej więcej cyklicznie z okresem około 26 mln lat. Hipoteza Raupa i Sepkoskiego spotkała się z dużym sceptycyzmem ze strony uczonych.

Po pierwsze, analiza danych paleontologicznych obarczona jest dość dużym stopniem niepewności i periodyczność wielkich wymierań nie wynika z niej jednoznacznie. Istnieje jednak jeszcze drugi, nie mniej ważny argument sceptyków wobec hipotezy Raupa i Sepkoskiego, a mianowicie brak wytłumaczenia dla tak dużych odstępów czasowych między wielkimi wymieraniami.

Ziemski ekosystem nie wydaje się być wystawiony na działanie takiego periodycznego zewnętrznego czynnika o okresie kilkudziesięciu milionów lat, który mógłby być przyczyną wielkich wymierań. Niektóre z nich można co prawda powiązać ze wzmożoną aktywnością wulkaniczną czy też zderzeniami z ciałami niebieskimi, jednak nie wydaje się, aby te zdarzenia powtarzały się cyklicznie.

Należy wspomnieć, że poszukiwanie takiego czynnika stało się inspiracją do stworzenia interesujących, ale jak na razie niepotwierdzonych hipotez głównie astrofizycznych, które cykliczny wzrost prawdopodobieństwa zderzenia z ciałami niebieskimi wiążą z istnieniem pewnych hipotetycznych obiektów, takich jak na przykład gwiazda bliźniacza do naszego Słońca.

Pewne teorie wiążą też periodyczność wielkich wymierań z ruchem obiegowym Słońca w płaszczyźnie Drogi Mlecznej lub z pewnymi zjawiskami geofizycznymi. Przyjmując hipotezę o periodyczności wielkich wymierań, i przy braku powszechnie akceptowanego jej wytłumaczenia, można zapytać, czy aby otrzymać oscylacje na tak dużą skalę, ziemski ekosystem musi być poddany działaniu zewnętrznego periodycznego czynnika, który generowałby te wymierania. Tak postawione pytanie sugeruje od razu pewną alternatywę, a mianowicie, że być może ekosystem niejako sam z siebie może generować periodyczne wymierania.

Pojawianie się periodycznych zmian w prostych ekosystemach jest znane od dawna. Klasycznym przykładem są oscylacje w populacjach drapieżników i ich ofiar. Eleganckie uzasadnienie tych oscylacji podali prawie sto lat temu Lotka i Volterra, tworząc tym samym podwaliny matematyczne dla współczesnej dynamiki populacji.

W przybliżeniu zachowanie się układu drapieżników i ofiar można opisać następująco. Załóżmy, że w pewnym momencie istnieje w układzie dość dużo ofiar i mało drapieżników. Stwarza to bardzo korzystną sytuację dla tych ostatnich, których liczebność w związku z tym szybko wzrasta. Powoduje to z kolei szybki spadek liczby ofiar, a to wpływa na populację drapieżników. Przy małej ilości pożywienia (ofiar) populacja drapieżników maleje, co z kolei wpływa na wzrost liczby ofiar. Układ znów osiąga stan o dużej liczbie ofiar i małej liczbie drapieżników i w ten sposób cykl Lotka- Volterra się zamyka. Zwróćmy jednak uwagę na to, że w układach Lotka-Volterra okres oscylacji wynosi zwykle kilka lat, a ponadto liczba współistniejących gatunków jest stała (w najprostszym przypadku wynosi ona dwa, ale rozpatruje się również układy drapieżników i ofiar o większej liczbie gatunków).

Rywalizacja o skończone (lecz odnawialne) zasoby powoduje, że gatunki zmuszone są do stopniowego zwiększania swoich rozmiarów pomimo wiążącego się z tym zwiększonego zapotrzebowania energetycznego. Gatunki o znacznych rozmiarach, które w pewnym momencie zaczynają dominować w ekosystemie, nie są jednak w stanie zaspokoić swoich zapotrzebowań energetycznych i są skazane na wyginięcie. Układ staje się wówczas zdominowany przez gatunki o niewielkich rozmiarach, które jednak ewolucja znów zmusza do zwiększania rozmiarów — i cykl się powtarza. Czas trwania danego gatunku zależy od tego, w jakiej fazie ewolucyjnego cyklu gatunek ten powstał.

Co kilkadziesiąt milionów lat wielkie wymierania dziesiątkują ziemski ekosystem. Zrozumienie przyczyn ich pojawiania się jest z pewnością wielkim wyzwaniem i wymagać będzie zjednoczenia wysiłków naukowców wielu dyscyplin. Ekosystem nasz był i jest wystawiony na działanie rozlicznych czynników zewnętrznych, takich jak aktywność wulkaniczna, zmiany klimatyczne, zderzenia z ciałami niebieskimi, a współcześnie również działalność człowieka.

Czynniki te w istotny sposób wpływają na ewolucję ekosystemu i mogą prowadzić do wymierania wielu gatunków. Ale wymierania gatunków są również naturalną konsekwencją dynamiki ekosystemu, nie wymagającą działania żadnego czynnika zewnętrznego. Co więcej, wymierania w naszym modelowym ekosystemie mają charakter cykliczny. Definitywne stwierdzenie, czy cykliczność wielkich wymierań jest indukowana z zewnątrz czy też jest immanentną cechą naszego ekosystemu, może okazać się bardzo trudne, ale na pewno warte jest dalszych badań.

Nadesłał: Owczarek Środkowoazjatycki http://www.srodkowoazjaty.za.pl