The Big Life (II): The Great Permian Dying / La gran vida (II): La gran mortandad del Pérmico

Pangea

The Carboniferous Period was followed by the Permian Period. At the end of the Permian, about 252 million years ago, just before the Triassic Period started, massive lava eruptions occurred in Siberia that released halogen gasses (1). Associated to those eruptions there was an increase in the concentrations of mercury (Hg), which is toxic, and hydrogen sulfide (H2S), whose lethality rises with temperature (2). Due to these lava eruptions atmospheric oxygen fell dramatically, from about 30% at the beginning of the Permian to between 10% and 15%, while the content of carbon dioxide and methane increased, causing a marked greenhouse effect and temperature increase of the planet. The ozone layer disappeared allowing dangerous levels of ultraviolet radiation. The lava eruptions appear to have been responsible for the largest extinction of life in Earth’s history, the Permian-Triassic extinction event, also known as “the Great Dying”. Up to 90% of species, including half of marine organism families (comprising trilobites; ancient corals; and ammonites, except for one lineage) became extinct. Evidence of the extinction of marine mollusks (ammonites) and other marine animals can be studied with the naked eye on the beaches of Zumaia in the Basque Country of northern Spain (3).

Vertical Flysch of Zumaia in Ondarroa Beach /

Flysch verticalizado de Zumaia en la playa de Ondarroa

Vertical Flysch of Zumaia in Ondarroa Beach - High tide/

Flysch verticalizado de Zumaia en la playa de Ondarroa - Marea alta

Low oxygen in the air, even at sea level, enhanced the effect of geographic isolation between various low-altitude areas. Mountain ranges limited contact between ecosystems because animals could not survive at higher altitudes in order to interact with other territories. It is postulated that this isolation of inhabited areas stimulated the appearance of new species, despite the fact that only one continuous continent existed, Pangea (see figure and reference 3). On the other hand, altitudes greater than 1,000 meters, representing up to 50% of the available land surface, must have been empty of complex life-forms. Furthermore, shrinking living spaces could have also led to extinctions, according to the theory of island biogeography postulated by Robert MacArthur and Edward O. Wilson (4). This theory indicates that the number of species on an island or other totally or partially isolated geographic space is in direct relation to its surface area.

At the end of the Permian Period, the increase in Earth’s temperature caused by the high concentration of greenhouse gases raised seawater’s temperature to 40 ºC and the land’s surface temperature to about 60 ºC. The surviving 10% or so of complex life-forms took refuge in more temperate latitudes, and many animals evolved back into aquatic environments. This global warming situation lasted until at least the first 3 million years of the Triassic Period, at the end of which the atmospheric oxygen concentration was only 10%.

Versión en español:

Al Período Carbonífero le siguió el Pérmico, a cuyo final, hace unos 252 millones de años, justo antes de que comenzara el Período Triásico, se produjeron erupciones masivas de lava en Siberia que liberaron gases halógenos (1). Asociado a esas erupciones hubo un aumento en las concentraciones de mercurio (Hg), que es tóxico, y sulfuro de hidrógeno (H2S), cuya letalidad aumenta con la temperatura (2). Debido a estas erupciones de lava, el oxígeno atmosférico cayó drásticamente, de alrededor del 30% al comienzo del Período Pérmico a entre el 10% y el 15%, mientras que el contenido de dióxido de carbono y metano aumentó, causando un marcado efecto invernadero y el aumento de la temperatura del planeta. La capa de ozono desapareció, permitiendo niveles peligrosos de radiación ultravioleta. Las erupciones de lava parecen haber sido responsables de la mayor extinción de vida en la historia de la Tierra, el evento de extinción masiva del Pérmico-Triásico, también conocido como "la Gran Mortandad". Hasta el 90% de las especies, incluida la mitad de las familias de organismos marinos (que comprenden trilobites; corales antiguos; y ammonites, excepto un linaje) se extinguieron. La evidencia de la extinción de moluscos marinos (ammonites) y otros animales marinos se puede estudiar a simple vista en las playas de Zumaia en el País Vasco del norte de España (3).

El bajo nivel de oxígeno en el aire, incluso a nivel del mar, aumentó el efecto de aislamiento geográfico entre áreas de baja altitud. Las cadenas montañosas limitaron el contacto entre los ecosistemas porque los animales no podían sobrevivir a mayores altitudes para interactuar con otros territorios. Se postula que este aislamiento de áreas habitadas estimuló la aparición de nuevas especies, a pesar de que solo existía un continente continuo, Pangea (ver figura y referencia 3). Por otro lado, las altitudes superiores a 1.000 metros, que representan hasta el 50% de la superficie terrestre disponible, deben haber estado vacías de formas de vida complejas. Además, la reducción de los espacios habitables también podría haber llevado a extinciones, según la teoría de la biogeografía de las islas postulada por Robert MacArthur y Edward O. Wilson (4). Esta teoría indica que el número de especies en una isla u otro espacio geográfico total o parcialmente aislado está en relación directa con su superficie.

Al final del Período Pérmico, el aumento de la temperatura de la Tierra causado por la alta concentración de gases de efecto invernadero elevó la temperatura del agua de mar a 40 ºC y la temperatura de la superficie de la tierra a unos 60 ºC. El 10% sobreviviente de formas de vida complejas se refugió en latitudes más templadas, y muchos animales evolucionaron de nuevo a ambientes acuáticos. Esta situación de calentamiento global duró al menos hasta los primeros 3 millones de años del Período Triásico, al final de los cuales la concentración de oxígeno atmosférico fue de sólo el 10%.

Images / Imágenes:

Pangea. Author / Autor: Kieff. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pangaea.png. Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0, via Wikimedia Commons.

Vertical Flysch of Zumaia in Ondarroa Beach / Flysch verticalizado de Zumaia en la playa de Ondarroa. Author / Autor: Juan I. Jorquera.

Vertical Flysch of Zumaia in Ondarroa Beach - High tide/ Flysch verticalizado de Zumaia en la playa de Ondarroa - Marea alta. Author / Autor: Juan I. Jorquera.

References / Referencias:

1. Broadley, M.W., Barry, P.H., Ballentine, C.J. et al. End-Permian extinction amplified by plume-induced release of recycled lithospheric volatiles. Nature Geosci 11, 682–687 (2018). https://doi.org/10.1038/s41561-018-0215-4.

2. Grasby, S.E., et al., 2020, Toxic mercury pulses into late Permian terrestrial and marine environments: Geology, v. 48, p. 830–833, https://doi.org/10.1130/ G47295.1.

3. 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.

4. Robert H. MacArthur and Edward O. Wilson. The Theory of Island Biogeography. Princeton University Press, Princeton, NJ, 1967.