Big Life (III): Dinosaurs & the Meteorite / Gran vida (III): Dinosaurios y meteorito

Diplodocus

Dinosaurs proliferated during the Triassic Period, 252 to 201 million years ago (mya), and they were also present during the Jurassic—201 to 145 mya— and the Cretaceous —145 to 66 mya—periods. These three periods constitute the Mesozoic Era or intermediate time of animals, also known as the time of reptiles and dinosaurs.

There is a direct relationship between availability of oxygen, body size, and species diversification, mainly of animals. The respiratory system of dinosaurs was very effective, which allowed them to branch out in many different species and become very big, in spite of the low concentration of oxygen at the end of the Permian Period (see previous post, The Big Life II.

In the case of ornithischians—a type of mainly herbivorous dinosaurs—with air sacs and lungs similar to current birds, their respiratory systems were up to 30% more effective than in mammals (1).

You can see National Geographic’s dinosaur animations based on recently obtained knowledge cliking here).

In the Triassic Period, there also appeared a large number of living beings with new forms and anatomical designs in a phenomenon comparable to the adaptive radiation that took place during the Cambrian Period. These novel changes in life-forms were probably associated with the new ecological niches available after the previous extinction. Among the new forms, new bivalves, ammonites, and nautilus appeared in the oceans. In the land, mammals first appeared in the late Triassic, just over 200 million years ago. Possibly these primitive mammals were similar to the current monotremes, which separated from the two big groups of current mammals, marsupials and placentals, about 187 million years ago (1,2), and of which only five species remain: the platypus and four species of echidnas.

Platypus (upper left panel) and echidnas /

Ornitorrinco (panel superior izquierdo) y equidnas (3)

Also, about 200 million years ago, coinciding with the appearance of the first mammals, the single supercontinent of Pangea (see figure in post “The Big Life II”) that incorporated almost all the landmasses on Earth, began to separate through plate tectonics into the continents we know today. Two new supercontinents were created as a result of Earth’s subterranean movements, Laurasia (in the north) and Gondwana (in the south), with India traveling northward until it collided with Asia, giving rise to the Himalayas. Today's continents were formed about 100 million years ago. In this link, there is an animation that illustrates how the continents parted.

Australia remained isolated; consequently, the evolution of mammals was very different there. Marsupials predominated, many of them very large. Marsupials give birth to a live but relatively undeveloped fetus called a joey. Then the joey climbs from the birth canal into its mother's pouch. Once there, it attaches to a nipple that swells in the joey’s mouth so that it is only able to let go when it is more developed. The kangaroo joey is born at a very immature stage, when it is only about 2 cm (1 inch) long and weighs less than 1 gram (<0.04 ounce). This type of mammal is rare outside Australia, which has about 200 species while America only has about 80 species.

The first birds (for example, Archaeopteryx) appeared about 150 million years ago, just before the end of the Jurassic Period. At that time the air was dominated by Pterodactyls, which are flying reptiles—not dinosaurs. The Jurassic was the time when birds evolved into a great variety of species.

Fossil of Archaeopteryx / Fósil de Archaeopteryx (4)

Fossil of Pterodactyl (Pterodactylus lauer) / Fósil de Pterodáctilo (Pterodactylus lauer) (5)

Plants that predominated during the Jurassic Period were gymnosperms—plants with seeds unprotected by an ovary or fruit. Jurassic gymnosperms included conifers (such as today’s pines, appeared about 300 million years ago), Cycads (often mistaken for ferns), and ginkgos (today a living fossil—Gingko biloba—that originated 250 million years ago). In the Cretaceous Period angiosperms appeared—plants with flowers and seeds protected in fruits. This resultant proliferation of angiosperm pollen and nectar favored a great diversification of insects. Thanks to a rapid adaptation to the different ecological spaces available (another case of adaptive radiation), at the end of the Cretaceous Period 66 million years ago, 90% of the vegetation corresponded to angiosperms (1).

Luis Álvarez, awarded the Nobel Prize in Physics in 1968, and his son Walter, of Spanish descent, established that 66 million years ago a meteorite about 10 to 15 km—6 to 9 miles—in diameter crashed near Chicxulub, not far from the cities of Cancún, Valladolid, and Mérida, in the Mexican Yucatan. The crash, that may have occurred in the spring of the northern hemisphere, and with the meteorite moving at a speed in the order of 12 kilometers per second, generated a crater more than 180 km—112 miles—wide and a shockwave that might have reached 1.5 km—0.93 miles—in height (1, 6-8). It is generally admitted that the extinction of dinosaurs—with the exception of birds, which are descendants of dinosaurs—was a result of the meteorite’s impact. However, dinosaur biodiversity might have been decreasing previously, and massive volcanic eruptions also occurred near that time—both phenomena may have played their part (9,10). But the crash did not affect only dinosaurs; up to 75% of the existing animal species disappeared. One of the markers of the impact is the presence of Iridium in the geological layer of transition between the Cretaceous and Tertiary Periods. Iridium is a very scarce element in Earth’s crust, but it is much more abundant in meteorites. All over the world there is a thin layer of Iridium in the geological record, coinciding in time with the disappearance of dinosaurs, Iridium that arrived to Earth in the Chicxulub meteorite (1). Rocks that detached from the land by the crash returned to Earth’s surface incandescent and at high speed, killing animals and causing wildfires. There is also a presence of soot in the geological records, indicating that a large part of Earth’s vegetation must have burned.

After the impact of the Chicxulub meteorite, darkness must have lasted at least several months, causing the death of a large segment of plant life, as well as of herbivores and carnivores directly and indirectly dependent on it. Rainfall was reduced as much as 90%, while 80% of the previous exposure to the sun’s rays disappeared for 8 to 13 years, leading to freezing or near freezing temperatures. The result was a dark, cold, dry world (1).

Between 35 and 6 million years ago, with the world finally recovered from the Chicxulub extinction, another phenomenon of great importance occurred, again in the plant kingdom. In an example of convergent evolution, which occurred up to 61 times independently in at least 19 plant families, a new type of photosynthesis appeared called C4, versus the more common and ancestral C3 form. The C3 pathway is more efficient in shady conditions and low temperatures, but C4 generally uses water and nitrogen more efficiently, allowing greater photosynthesis at high temperatures. Among the plants that perform the C4 process are species as important for humanity as sugar cane, corn, some types of millet, cabbage, and sorghum. These only account for 5% of plant biomass but accomplish 23% of total carbon dioxide fixation, which emphasizes their relevance (11).

As happened after other large annihilations of life, new and empty ecological spaces generated after the Chicxulub extinction represented an opportunity for the propagation of new groups of organisms. Plants with the ability to perform C4 photosynthesis may have been one example, and in the animal kingdom, another example that affects us closely was the proliferation of primates. We will discuss about primates in the next post.

Versión en español:

Los dinosaurios proliferaron durante el Período Triásico, hace 252 a 201 millones de años (ma), y también estuvieron presentes durante los períodos Jurásico (201 a 145 ma) y Cretácico (145 a 66 ma). Estos tres períodos constituyen la Era Mesozoica o edad intermedia de los animales, también conocida como la edad los reptiles y dinosaurios.

Existe una relación directa entre la disponibilidad de oxígeno, el tamaño corporal y la diversificación de especies, principalmente de animales. El sistema respiratorio de los dinosaurios fue muy eficaz, lo que les permitió ramificarse en muchas especies diferentes y llegar a ser muy grandes, a pesar de la baja concentración de oxígeno al final del Período Pérmico (ver publicación anterior: La gran vida II).

En el caso de los ornitisquios, un tipo de dinosaurios mayoritariamente herbívoros, con sacos de aire y pulmones similares a las aves actuales, sus sistemas respiratorios fueron hasta un 30% más eficaces que los de mamíferos (1).

En el siguiente enlace se pueden ver animaciones de dinosaurios de National Geographic basadas en conocimientos obtenidos recientemente.

En el Período Triásico, también apareció un gran número de seres vivos con nuevas formas y diseños anatómicos, en un fenómeno comparable a la radiación adaptativa que tuvo lugar durante el Período Cámbrico. Estos nuevos cambios en las formas de vida probablemente se asociaron con los nuevos nichos ecológicos disponibles después de la extinción anterior. Entre las nuevas formas vivas de los océanos aparecieron bivalvos, ammonites y nautilus. En la tierra, los mamíferos aparecieron por primera vez a finales del Triásico, hace poco más de 200 millones de años. Posiblemente estos mamíferos primitivos eran similares a los monotremas actuales, que se separaron de los dos grandes grupos de mamíferos actuales, marsupiales y placentarios, hace unos 187 millones de años (1,2) y de los que solo quedan cinco especies: el ornitorrinco y cuatro especies de equidnas.

Asimismo, hace unos 200 millones de años, coincidiendo con la aparición de los primeros mamíferos, el único supercontinente que existía entonces, Pangea (ver figura en post "La Gran Vida II") que incorporaba casi todas las masas terrestres de la Tierra, comenzó a separarse a través de la tectónica de placas en los continentes que hoy conocemos. Dos nuevos supercontinentes fueron creados como resultado de los movimientos subterráneos de la Tierra, Laurasia (en el norte) y Gondwana (en el sur), con la India viajando hacia el norte hasta que chocó con Asia, dando lugar a la cordillera del Himalaya. Los continentes actuales se formaron hace unos 100 millones de años. En el siguiente enlace hay una animación que ilustra cómo se separaron los continentes.

Australia permaneció aislada. En consecuencia, la evolución de los mamíferos fue muy diferente allí. Predominaron los marsupiales, muchos de ellos muy grandes. Los marsupiales dan a luz a un feto vivo pero relativamente poco desarrollado. Luego, el feto sube desde el canal de parto a la bolsa de su madre. Una vez allí, se adhiere a un pezón que se hincha en la boca del feto para que solo pueda soltarse cuando esté más desarrollado. El feto de canguro nace en una etapa muy inmadura, cuando mide solo unos 2 cm de largo y pesa menos de 1 gramo. Este tipo de mamífero es raro fuera de Australia, que tiene alrededor de 200 especies, mientras que América solo tiene alrededor de 80 especies.

Las primeras aves (por ejemplo, Archaeopteryx) aparecieron hace unos 150 millones de años, justo antes del final del Período Jurásico. En ese momento, el aire estaba dominado por pterodáctilos, que son reptiles voladores, no dinosaurios. El Jurásico fue el momento en que las aves evolucionaron en una gran variedad de especies.

Las plantas que predominaron durante el Período Jurásico fueron las gimnospermas, plantas con semillas desprotegidas por un ovario o fruto. Las gimnospermas jurásicas incluían coníferas (como los pinos de hoy, aparecidos hace 300 millones de años), cícadas (a menudo confundidas con helechos) y ginkgos (hoy un fósil viviente, Gingko biloba, que se originó hace 250 millones de años). En el período Cretácico, hace unos 100 millones de años aparecieron las angiospermas, plantas con flores y semillas protegidas en los frutos. La proliferación de polen y néctar de angiospermas favoreció una gran diversificación de insectos. Gracias a una rápida adaptación a los diferentes espacios ecológicos disponibles (otro caso de radiación adaptativa), al final del Período Cretácico hace 66 millones de años, el 90% de la vegetación correspondía a angiospermas (1).

Luis Álvarez, galardonado con el Premio Nobel de Física en 1968, y su hijo Walter, de ascendencia española, establecieron que hace 66 millones de años un meteorito de unos 10 a 15 km de diámetro se estrelló cerca de Chicxulub, no lejos de las ciudades de Cancún, Valladolid y Mérida, en el Yucatán mexicano. El choque, que pudo haber ocurrido en la primavera del hemisferio norte y con el meteorito moviéndose a una velocidad del orden de 12 kilómetros por segundo, generó un cráter de más de 180 km de ancho y una onda de choque que podría haber alcanzado 1.5 km de altura (1, 6-8). En general, se admite que la extinción de los dinosaurios, con la excepción de las aves, que son descendientes de los dinosaurios, fue el resultado del impacto del meteorito. Sin embargo, la biodiversidad de los dinosaurios podría haber estado disminuyendo anteriormente y erupciones volcánicas masivas que también ocurrieron cerca de ese momento pueden haber contribuido a la extinción (9,10). Pero el choque del meteorito no afectó sólo a los dinosaurios; hasta el 75% de las especies animales existentes desaparecieron. Uno de los marcadores del impacto es la presencia de Iridio en la capa geológica de transición entre los períodos Cretácico y Terciario. El iridio es un elemento muy escaso en la corteza terrestre, pero es mucho más abundante en los meteoritos. En todo el mundo existe una fina capa de Iridio en el registro geológico, coincidiendo en el tiempo con la desaparición de los dinosaurios, iridio que llegó a la Tierra en el meteorito de Chicxulub (1). Las rocas que se desprendieron por el choque regresaron a la superficie incandescentes y a gran velocidad, matando animales y causando incendios forestales. También hay presencia de hollín en los registros geológicos, lo que indica que una gran parte de la vegetación de la Tierra debió haberse quemado.

Después del impacto del meteorito de Chicxulub, la oscuridad debió durar al menos varios meses, causando la muerte de una gran parte de la vida vegetal, así como de animales herbívoros y carnívoros que dependían directa e indirectamente de las plantas. Las precipitaciones se redujeron hasta en un 90%, mientras que el 80% de la insolación desapareció durante 8 a 13 años, lo que llevó a temperaturas de congelación o muy cercanas. El resultado fue un mundo oscuro, frío y seco (1).

Hace entre 35 y 6 millones de años, con el mundo finalmente recuperado de la extinción de Chicxulub, se produjo otro fenómeno de gran importancia, de nuevo en el reino vegetal. En un ejemplo de evolución convergente, que ocurrió hasta 61 veces de forma independiente en al menos 19 familias de plantas, apareció un nuevo tipo de fotosíntesis llamada C4, frente a la forma C3 más común y ancestral. La vía C3 es más eficiente en condiciones de sombra y bajas temperaturas, pero C4 generalmente usa agua y nitrógeno de manera más eficiente, lo que permite una mayor fotosíntesis a altas temperaturas. Entre las plantas que realizan el proceso C4 se encuentran especies tan importantes para la humanidad como la caña de azúcar, el maíz, algunos tipos de mijo, el repollo y el sorgo. Estos sólo representan el 5% de la biomasa vegetal, pero logran el 23% de la fijación total de dióxido de carbono, lo que enfatiza su relevancia (11).

Como sucedió después de otras grandes extinciones de vida, los espacios ecológicos nuevos y vacíos generados después de la extinción de Chicxulub representaron una oportunidad para la propagación de nuevos grupos de organismos. Las plantas con la capacidad de realizar la fotosíntesis C4 pueden haber sido un ejemplo, y en el reino animal, otro ejemplo que nos afecta de cerca fue la proliferación de primates, de la que hablaremos en la siguiente publicación.

Images / Imágenes:

Diplodocus. Author / Autor: Alexander Hüsing from Berlin, Deutschland. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Berlin_Diplodocus.jpg. CC BY 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.0>, via Wikimedia Commons.

Platypus (upper left panel) and echidnas / Ornitorrinco (panel superior izquierdo) y equidnas. Author / Autor: Ypna. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Monotreme_collage.jpg. CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0> , via Wikimedia Commons.

Fossil of Archaeopteryx / Fósil de Archaeopteryx. Author / Autor: Gunnar Creutz. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Archaeopteryx_lithographica_(cast)_at_G%C3%B6teborgs_Naturhistoriska_Museum_2314.jpg. CC BY-SA 4.0, <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0> , via Wikimedia Commons.

Fossil of Pterodactyl (Pterodactylus lauer) / Fósil de Pterodáctilo (Pterodactylus lauer). Author / Autor: Zissoudisctrucker. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pterodactylus_Lauer.jpg. CC BY-SA 4.0, <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0> , via Wikimedia Commons.

References / Referencias:

1. Peter Ward and Joseph Kirschvink. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origins and Evolution of Life on Earth. Bloomsbury Publishing, London, 2015.

2. Zhou, Y., Shearwin-Whyatt, L., Li, J. et al. Platypus and echidna genomes reveal mammalian biology and evolution. Nature 592, 756–762 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03039-0.

3. Ypna. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Monotreme_collage.jpg. CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0> , via Wikimedia Commons.

4. Gunnar Creutz. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Archaeopteryx_lithographica_(cast)_at_G%C3%B6teborgs_Naturhistoriska_Museum_2314.jpg. CC BY-SA 4.0, <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0> , via Wikimedia Commons.

5. Zissoudisctrucker. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pterodactylus_Lauer.jpg. CC BY-SA 4.0, <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0> , via Wikimedia Commons.

6. Edward. O. Wilson. Half-Earth: Our Planet's Fight for Life. Liveright, W.W. Norton & Company, London, 2016.

7. Akila Raghavan. Giant tsunami from dino-killing asteroid impact revealed in fossilized ‘megaripples’. Science, DOI:10.1126/science.abl4152;

8. During, M.A.D., Smit, J., Voeten, D.F.A.E. et al. The Mesozoic terminated in boreal spring. Nature 603, 91–94 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04446-1; M.M. Range et al. The Chicxulub Impact Produced a Poweful Global Tsunami. AGU Advances 3 (5): e2021AV000627. DOI: https://doi.org/10.1029/2021AV000627.

9. Blair Schoene et al. U-Pb constraints on pulsed eruption of the Deccan Traps across the end-Cretaceous mass extinction. Science 2019: Vol. 363, Issue 6429, pp. 862-866. DOI: 10.1126/science.aau2422.

10. Condamine, F.L., Guinot, G., Benton, M.J. et al. Dinosaur biodiversity declined well before the asteroid impact, influenced by ecological and environmental pressures. Nat Commun 12, 3833 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23754-0.

11. Wikipedia. C4 carbon fixation. https://en.wikipedia.org/wiki/C4_carbon_fixation. Accessed on July, 29 2021.