Jak może dojść do zagłady życia poprzez nagromadzenie w atmosferze wielkich ilości siarkowodoru w wyniku wzrostu temperatury planety? Naukowcy są zdania, że może to nastąpić w wyniku namnożenia się fotosyntetyzujących bakterii siarkowych, produkujących wielkie ilości tego gazu, a zjawiska takie miały już miejsce kilkukrotnie w historii Ziemi. W każdym z okresów wielkich wymierań – z wyjątkiem końca kredy – oceany co najmniej raz osiągały stan anoksji (skrajnego zubożenia wody w tlen).

Anoksja oceaniczna w praktyce – jak to było?

W okresach wielkich wymierań zidentyfikowano duże ilości substancji pochodzących od fotosyntetyzujących zielonych bakterii siarkowych. Dziś bakterie te, wraz z fotosyntetyzującymi purpurowymi bakteriami siarkowymi, występują w beztlenowych środowiskach słonowodnych, na przykład w pewnych rejonach bezodpływowych słonych jezior czy w Morzu Czarnym. Energię uzyskują w procesie utleniania siarkowodoru (H2S), gazu trującego dla większości organizmów, a produktem tej reakcji jest siarka. W taki sposób odkrywanie w utworach skalnych licznych pozostałości po tych bakteriach umożliwiło nową interpretację przyczyn wymierań.
Naukowcy od dawna wiedzieli, że w okresach wielkich wymierań stężenie tlenu było niższe niż obecnie, a biomarkery (unikalne związki organiczne pochodzące od konkretnych gatunków istot żywych, umożliwiające stwierdzenie, że określony gatunek występował masowo na Ziemi w danym okresie) znalezione w skałach z końca permu, a także z końca triasu, wskazują, że w tamtych okresach światowy ocean został zdominowany przez bakterie utleniające siarkowodór. Mikroorganizmy te żyją wyłącznie w środowisku beztlenowym, ale jednocześnie potrzebują światła do fotosyntezy, a więc ich obecność jest dowodem, że nawet powierzchniowe warstwy wód morskich były ubogie w tlen i zawierały dużo siarkowodoru.

Obecnie w oceanach tlen występuje w niemal identycznym stężeniu na wszystkich głębokościach, także w strefie przydennej. Tylko w wyjątkowych okolicznościach – jak w Morzu Czarnym – na dużych głębokościach dochodzi do powstania strefy anoksycznej, w której mogą rozwijać się organizmy nie znoszące tlenu. Beztlenowe bakterie wytwarzają ogromne ilości siarkowodoru, a ten rozpuszcza się w wodzie. W miarę jak jego stężenie rośnie, dyfunduje on ku powierzchni i napotyka wędrujący w dół tlen. Dopóki między tymi gazami panuje równowaga, wody nasycone siarkowodorem oraz wody zawierające rozpuszczony tlen tworzą dwie oddzielne warstwy, a granica między nimi (tzw. chemoklina) jest stabilna. Zielone i purpurowe bakterie siarkowe żyją zwykle właśnie w strefie chemokliny, gdzie mają zarówno dopływ siarkowodoru od dołu, jak i światła z góry.

Z obliczeń wynika, że gdy natlenienie wód oceanu się zmniejsza, powstają warunki korzystne dla przydennych bakterii beztlenowych – a te namnażają się i produkują jeszcze większe ilości siarkowodoru. Symulacje wskazują, że jeśli stężenie siarkowodoru w strefie przydennej przekroczy pewną krytyczną wartość – tak jak podczas okresów globalnej anoksji – chemoklina może bardzo szybko przesunąć się aż do powierzchni oceanu. Zjawisko to miałoby straszliwy skutek: wydostawanie się ogromnych ilości trującego siarkowodoru do atmosfery.

Pod koniec permu wskutek „morskich erupcji” do atmosfery trafiło dość tego gazu, by spowodować wymieranie zarówno w morzach, jak i na lądach. Siarkowodór nie jest jednak jedynym zabójcą. Z modeli wykonanych w University of Arizona wynika, że siarkowodór atakuje również powłokę ozonową w górnych warstwach ziemskiej atmosfery, która chroni żywe organizmy przed promieniowaniem ultrafioletowym. Dowodem na takie zniszczenie warstwy ozonowej pod koniec permu są odkryte na Grenlandii skamieniałe zarodniki dawnych roślin, zdeformowane w wyniku długotrwałego naświetlania ultrafioletem o wysokim natężeniu. Obecnie również obserwuje się zanik planktonu pod dziurami ozonowymi, zwłaszcza w Antarktyce. A gdy pierwszy składnik łańcucha pokarmowego przestaje istnieć, w niedługim czasie zagłada spotyka również kolejne organizmy.

Ocenia się, że pod koniec permu powietrze tak bardzo nasyciło się siarkowodorem, że zabijał on zarówno zwierzęta, jak i rośliny, zwłaszcza że wraz z temperaturą rośnie toksyczne działanie tego gazu. A wiele mniejszych i większych wymierań zdarzyło się w tym samym czasie, co okresy globalnego ocieplenia.
Uważa się, że przyczyną ocieplania się klimatu w tamtych okresach mogła być wulkaniczna emisja gazów cieplarnianych – dwutlenku węgla i metanu, być może zapoczątkowana skruszeniem skorupy ziemskiej przez uderzenie asteroidu lub komety.
Powiązanie wysokiej koncentracji gazów cieplarnianych z wymieraniem istot żywych potwierdzają obecność siarki na wszystkich stanowiskach oraz pomiary izotopowe węgla wykazujące, że koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze gwałtownie rosła tuż przed początkiem wymierania i utrzymywała się na wysokim poziomie przez setki tysięcy, a nawet kilka milionów lat.

Najprawdopodobniej to oceany były czynnikiem decydującym. Im bowiem cieplej, tym mniej tlenu rozpuszcza się w wodzie. Jeśli w wyniku erupcji wulkanicznych podniosło się stężenie CO2 w atmosferze, obniżyło się stężenie tlenu, a globalne ocieplenie utrudniało wprowadzanie pozostałego tlenu do wód oceanicznych, to mogły zaistnieć warunki korzystne dla głębokomorskich bakterii beztlenowych. One zaś wkrótce potem wyprodukowały gigantyczne ilości siarkowodoru. W takich warunkach zaczęły masowo ginąć oddychające tlenem organizmy morskie. Doskonale natomiast funkcjonowały w nich fotosyntetyzujące zielone i purpurowe bakterie siarkowe, które mogły namnażać się już na samej powierzchni anoksycznego oceanu. Gdy siarkowodór zaczął dusić organizmy na lądzie i niszczyć warstwę ozonową planety, właściwie żadna forma życia nie była już na Ziemi bezpieczna.

Co więcej, zaproponowana tu sekwencja zdarzeń pasuje nie tylko do śladów z końca permu. Mniejsze wymieranie u schyłku paleocenu, 54 mln lat temu, zostało już uznane za wynik oceanicznej anoksji, wywołanej przez krótkotrwałe globalne ocieplenie. Obecność biomarkerów i skał osadowych charakterystycznych dla środowiska beztlenowego wskazuje, że taka sama gigantyczna katastrofa ekologiczna mogła wydarzyć się pod koniec triasu, środkowej kredy i dewonu. To dowodzi, że wielkie wymierania związane są z okresowo powtarzającym się w historii Ziemi ociepleniem klimatu.