Nazwa zjawiska nawiązuje do książki Podróże Guliwera Jonathana Swifta z jej karłowatymi bohaterami, a efekt – zwany też lilipucim – nie jest pojęciem nowym. Paleontolodzy od dawna obserwują, że w okresach silnego stresu środowiskowego rozmiary niektórych zwierząt zmiennocieplnych maleją. Dotychczas badania obejmowały jednak zwykle pojedyncze grupy organizmów, konkretne regiony albo stosunkowo krótkie odcinki czasowe w historii Ziemi.
– Efekt Liliputa – pojęcie wprowadzone do paleobiologii przez prof. Adama Urbanka – był już kilkukrotnie opisywany. Ale do tej pory nie było wiadomo, jak powszechny i uniwersalny jest ten wzorzec. Postanowiliśmy to zbadać – mówi dr hab. Kenneth De Baets z Instytutu Biologii Ewolucyjnej Uniwersytetu Warszawskiego.
Wraz z zespołem naukowców badacz prowadzi analizy, jak zapis kopalny pomaga zrozumieć najważniejsze procesy, które kształtowały życie na Ziemi.
– W trakcie jednego z wcześniejszych projektów zauważyliśmy zależność między zmniejszaniem się rozmiarów ciała wymarłych głowonogów – belemnitów – a dawnymi epizodami ocieplenia klimatu. Chcieliśmy sprawdzić, czy zjawisko to występuje konsekwentnie podczas rozmaitych kryzysów środowiskowych i w różnych grupach organizmów – dodaje dr hab. Kenneth De Baets.
W ten sposób doszło do istotnego przełomu w badaniach nad tym zagadnieniem. Narodził się projekt, który zaowocował jedną z najbardziej kompleksowych analiz efektu lilipuciego. Jej wyniki De Baets i współpracujący z nim naukowcy z Niemiec i Francji opisali w artykule „Unique fingerprint of marine ectotherm body size change during hyperthermal crises” opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences.
Efekt skali
Skala analizy była ogromna. Naukowcy zestawili dane obejmujące niemal cały fanerozoik, czyli najmłodszy i trwający do dziś eon – jednostkę w historii Ziemi – który rozpoczął się około 540 mln lat temu i obejmuje paleozoik, mezozoik oraz kenozoik.
Sięgnęli do 130 publikacji naukowych, zebrali niemal 9 tysięcy zapisów zmian wielkości ciała morskich organizmów. Łącznie dane te opierały się na ponad 1,6 mln pomiarów okazów kopalnych, historycznych i współczesnych.
Pod lupę trafiły bardzo różne grupy morskich zwierząt zmiennocieplnych: od małży, ramienionogów i skorupiaków po głowonogi oraz ryby. Autorzy porównywali zarówno zmiany zachodzące w obrębie poszczególnych gatunków, jak i całych zespołów organizmów.
Wszystkie te dane – pochodzące z zapisu kopalnego, materiałów historycznych i współczesnych obserwacji – miały pomóc odpowiedzieć na najważniejsze pytanie: czy zmniejszanie się morskich zwierząt zmiennocieplnych jest powtarzalną reakcją na kryzysy środowiskowe?
Analiza ujawniła wyraźny wzorzec: podczas większości wielkich kryzysów organizmy morskie stawały się mniejsze, a po ustąpieniu zagrożenia wielkość ciała najczęściej stopniowo wzrastała. Jak badaczom udało się to ustalić?
– Celowo uwzględniliśmy nie tylko badania, w których opisano efekt Liliputa, czyli spadek rozmiarów, ale wszystkie dostępne dane dotyczące zmian wielkości organizmów. Obejmowały zarówno przekształcenia podczas kryzysów środowiskowych, jak i w okresach stabilnych, które służyły jako punkt odniesienia. Chcieliśmy sprawdzić, jak trwałe i konsekwentne były te zmiany w okresach krytycznych. Co więcej, gdy po raz pierwszy zaproponowano koncepcję efektu Liliputa, wiązano ją przede wszystkim z wymieraniami, a nie bezpośrednio z czynnikami środowiskowymi, takimi jak ocieplenie klimatu. Choć niektórzy badacze sugerowali związek ze zmianą termiczną, dotąd nie został on ilościowo zweryfikowany – wyjaśnia paleobiolog.
I tu dochodzimy do najważniejszego odkrycia.
Odcisk palca Liliputa
Efekt Liliputa nie dotyczy tylko pojedynczych grup organizmów czy wybranych miejsc. Naukowcy zauważyli go podczas wielu różnych kryzysów środowiskowych.
Skala zmian nie była jednak zawsze taka sama. Dla wszystkich analizowanych kryzysów mediana odpowiadała spadkowi mierzonej wielkości ciała o około 4%, ale podczas niektórych epizodów redukcja była znacznie większa.
Pod koniec permu wynosiła około 8%, pod koniec triasu około 14%, a podczas paleoceńsko-eoceńskiego maksimum termicznego, jednego z najlepiej poznanych epizodów gwałtownego globalnego ocieplenia, około 15%.
Okresy silnego ocieplenia wyróżniały się jednak na ich tle. Kurczenie się organizmów było wtedy najsilniejsze i bardziej zróżnicowane niż podczas innych kryzysów.
Szczególnie wyraźnie było to widać w obrębie pojedynczych gatunków. To właśnie ten charakterystyczny wzorzec autorzy badania określają jako swoisty „odcisk palca” kryzysów związanych z intensywnym wzrostem temperatury.
– Wyniki pokazują, że dawne zaburzenia środowiskowe o większej skali ocieplenia wiązały się z bardziej wyraźnym karłowaceniem. To, że zmiany rozmiarów ciała są silniejsze podczas ocieplenia, sugeruje, że stoją za tym różne mechanizmy, zależnie od rodzaju kryzysu – mówi naukowiec.
Dlaczego jednak podczas ocieplenia – gdy woda oceaniczna się ogrzewa – zwierzęta stają się mniejsze? Odpowiedź nie jest prosta. Wyniki wskazują, że wzrost temperatury był głównym czynnikiem prowadzącym do karłowacenia podczas kryzysów hipertermicznych i wpływał na ostateczną wielkość przedstawicieli fauny. Ten wpływ mogły jednak nasilić inne zmiany zachodzące w oceanach, w tym spadek poziomu tlenu i produktywności ekosystemów, a także zakwaszenie oceanów.
Nie jest jasne, czy kurczenie się jest sposobem przystosowania się zwierząt do nowych warunków, czy oznaką silnego stresu.
– To zagadnienie nie jest łatwe do zbadania, jednak nasze wyniki sugerują, że prawdziwe są oba wyjaśnienia. Szczególnie silne i zmienne reakcje gatunków podczas epizodów hipertermicznych wskazują na działanie dodatkowych mechanizmów ekologicznych lub fizjologicznych, które są szybkie i odwracalne. Oznacza to, że przy umiarkowanym ociepleniu osobniki mogą do pewnego stopnia przystosować się do nowych warunków poprzez redukcję powierzchni ciała zamiast wyginąć, a efekt ten wydaje się przynajmniej częściowo odwracalny – mówi dr hab. Kenneth De Baets.
Taka strategia ma jednak swoje granice. Gdy ocieplenie staje się ekstremalne, samo zmniejszenie rozmiarów może już nie wystarczyć.
– Podczas kryzysów związanych z ekstremalnym ociepleniem, rzędu około 10°C, jak w czasie wymierania permskiego, stosunkowo słaba zależność między stopniem karłowacenia a skalą ocieplenia może wskazywać, że mechanizm ulega zmianie. Zamiast adaptacji organizmów – zwłaszcza mniejszych gatunków – dominują wysokie wskaźniki wymierania – wyjaśnia naukowiec.
Historia magistra vitae est
Zapis kopalny daje naukowcom coś, czego nie sposób uzyskać w laboratorium: możliwość obserwowania skutków wielkich zmian klimatu w skali milionów lat. Nie jest jednak gotowym scenariuszem naszej przyszłości.
Dzisiejsze oceany mierzą się z dodatkowymi wyzwaniami w porównaniu do tych sprzed milionów lat. Na ile więc dawne kryzysy mogą pomóc nam przewidzieć skutki obecnego ocieplenia?
– Obecna sytuacja różni się pod pewnymi względami. Współcześnie na ekosystemy oddziałują również czynniki, których nie było podczas dawnych kryzysów, takie jak na przykład przełowienie mórz. Dzięki temu w zapisie kopalnym łatwiej jest dostrzec bezpośredni wpływ samego ocieplenia klimatu. Odkryliśmy, że ocieplenie było głównym czynnikiem prowadzącym do karłowacenia podczas hipertermicznych epizodów w całym fanerozoiku. Oznacza to, że przyszłe ocieplenie klimatu prawdopodobnie będzie nadal wpływać na obserwowaną obecnie tendencję do zmniejszania się współczesnych morskich zwierząt zmiennocieplnych – wyjaśnia badacz.
W ciągu ostatnich ponad pół miliarda lat, czyli niemal całego fanerozoiku, życie na Ziemi przechodziło przez pięć wyjątkowo głębokich kryzysów.
Były to wielkie wymierania: późnoordowickie około 444 mln lat temu, późnodewońskie około 372 mln lat temu, permskie około 252 mln lat temu, triasowe około 201 mln lat temu oraz kredowe 66 mln lat temu.
Przy wszystkich pięciu naukowcy znajdują ślady intensywnej aktywności wulkanicznej, choć jej rola nie zawsze była taka sama. W przypadku wymierania kredowego głównym winowajcą była najprawdopodobniej asteroida, ponieważ największe erupcje trapów Dekanu, jak się zdaje, poprzedzają spadek rozmiarów organizmów. Rola wulkanizmu we wcześniejszych kryzysach, ordowickim i dewońskim, nadal jest przedmiotem badań, ale nie ma wyraźnych dowodów na to, że doprowadził on do ocieplenia w okresie, gdy dochodziło do zmniejszania się organizmów.
Czy te dawne kataklizmy można porównać z tym, co człowiek robi dziś z klimatem? Nie są to oczywiście identyczne zjawiska, ale łączy je jeden kluczowy mechanizm: szybkie uwalnianie ogromnych ilości dwutlenku węgla do atmosfery. A także – w wielu przypadkach – związek z podobnymi czynnikami stresogennymi, takimi jak ocieplenie, zakwaszenie oceanów, kryzysy produktywności i odtlenienie.
Pozostaje więc pytanie, czy działalność człowieka nie uruchomi efektu Liliputa w jego najbardziej radykalnej postaci – prowadząc nie tylko do zmniejszania się organizmów, ale do kolejnego wielkiego wymierania.
– Dawne kryzysy z pewnością mogą stanowić dla nas ostrzeżenie – konkluduje dr hab. Kenneth De Baets.
