Name: mass extinction and the fossil record
Uploaded: 2019-01-29T11:04:46.000Z
Duration: 5 min 25 s
Channel: JoVE

K12 Standards

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NC K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Biology

Biological Evolution- Unity and Diversity

LS.Bio.10.1

Extinction

Was haben Dinosaurier, Tasmanische Tiger und Wiedehopf-Stare gemeinsam? Die Antwort ist das Thema des heutigen Labors, des Aussterbens. Aussterben tritt auf, wenn eine Art in ihrer Umgebung nicht überleben kann, um sich fortzupflanzen, und nicht in eine neue Umgebung wechseln kann. Wollmammuts zum Beispiel galten als Folge des Klimawandels, der seinen Lebensraum und den Rest des Planeten zu warm machte. Das Aussterben gibt es schon so lange, wie es Leben auf der Erde gibt. Tatsächlich sind schätzungsweise 99 % aller Arten, die jemals existiert haben, ausgestorben. 
Die meisten dieser Aussterbefälle geschahen im Laufe der Zeit aufgrund von Umweltveränderungen wie bei unserem Wollmammut. Aber auch andere Faktoren wie die Konkurrenz um Ressourcen mit anderen Arten und die Unfähigkeit, Raubtieren auszuweichen, können eine Art zum Aussterben bringen. Nehmen Sie zum Beispiel diese Fische. Beide Arten teilen sich einen Lebensraum, aber der grüne Fisch ist besser darin, Raubtieren auszuweichen, was sein Überleben wahrscheinlicher macht und schließlich den orangefarbenen Fisch ausrottet. Auch die Überjagung und andere vom Menschen verursachte Phänomene wie Umweltverschmutzung können zum Aussterben einer Art führen. 
Aussterbeereignisse, die auf globaler Ebene auftreten, werden als Massenaussterben bezeichnet und werden in der Regel durch große katastrophale Ereignisse wie Einschläge aus dem Weltraum, signifikante vulkanische Aktivität und andere Phänomene verursacht, die den globalen Klimawandel verursachen. Bei diesen Ereignissen übersteigen hohe Aussterberaten die Raten neuer Artarten, was zu einem globalen Verlust von Arten führt. 
Das bekannteste Massenaussterben ist das Kreide-Paläogen oder K-Pg-Aussterben, das berühmt dafür ist, die Herrschaft der Dinosaurier zu beenden. Dieses Aussterben kann sogar in den Gesteinsschichten oder -schichten der Erde beobachtet werden, wo wir vor etwa 66 Millionen Jahren einen abrupten Verlust von Arten aus dem Fossilienbestand sehen, der auch mit einer einzigartigen Sedimentschicht zusammenfällt, die Iridium enthält, ein Metall, das nicht oft in der Erdkruste vorkommt. Iridium ist jedoch in hohen Mengen in Asteroiden vorhanden, was den Wissenschaftlern einen Hinweis auf die Ursache des Aussterbens gibt. Der Einschlag auf der Halbinsel Yucatán in Mexiko schuf den 180 Kilometer großen Chicxulub-Krater und löste eine Reihe von katastrophalen Ereignissen aus, die die Erde für immer verändern sollten. Zuerst hätten Feuerstürme den nordamerikanischen Kontinent verwüstet und eine riesige Wolke aus Rauch und Staub erzeugt. Die bei der Kollision ausgestoßenen Trümmer wären in der oberen Atmosphäre eingeschlossen worden und hätten einen Blanketing-Effekt verursacht, der tödliche Mengen an Infrarotstrahlung in der Atmosphäre eingeschlossen hätte. Vulkanausbrüche und die weit verbreitete geologische Instabilität nach dem Einschlag heizten die Erstickung der Erde weiter an, und da Ruß, Rauch und Vulkanasche die Sonne blockierten, waren viele Pflanzen nicht mehr in der Lage, Photosynthese zu betreiben und gingen zugrunde. Ohne Nahrung waren die Pflanzenfresser die nächsten, die ausstarben, dicht gefolgt von den Raubtieren. Die vulkanischen Emissionen und der daraus resultierende Smog verursachten sauren Regen, der die Ozeane versauerte und viele Wasserlebewesen auslöschte. Bald führten die saure Atmosphäre und der dichte Nebel, der die Wärme der Sonne blockierte, zu einem tiefen Frost, bei dem die globalen Temperaturen mehrere Jahre lang unter Null fielen. Das Massenaussterben, das durch diese drastischen Umweltveränderungen verursacht wurde, betraf alle bekannten und drei Viertel aller damals lebenden Spezies starben in einem evolutionären Äquivalent eines Wimpernschlags aus. 
Im Laufe der Zeit, als sich das Klima auf der Erde langsam wieder normalisierte, erholten sich die verbleibenden Arten, zu denen auch kleine Säugetiere gehörten, und durchliefen eine adaptive Radiation, um die vielen neu frei gewordenen Arten zu füllen. Auf diese Weise eröffnete der Verlust einer großen Anzahl von Arten während des Massenaussterbens Raum für die Ausbreitung und Artbildung anderer. 
In diesem Lab untersuchen Sie Diversitätsdaten für mehrere verschiedene Taxa in verschiedenen Zeiträumen rund um das Kreide-Paläogen-Aussterben.

aussterben

<h4>Die Geschichte des Lebens auf der Erde</h4>
Fossilien von Organismen, die sich von allem heute Lebenden unterschieden, waren bereits im 17. Jahrhundert dokumentiert worden, aber erst im frühen 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler zu erkennen, dass die aufeinanderfolgenden Schichten fossilienhaltiger Gesteine wie aufeinanderfolgende Seiten in der Geschichte des Lebens auf der Erde waren. Obwohl diese Erkenntnis die Geburtsstunde der Paläontologie war, musste die Idee des vollständigen globalen Aussterbens einer Art noch vollständig akzeptiert werden. Zu dieser Zeit blieb es möglich zu argumentieren, dass unser Wissen über die Welt begrenzt sei, daher zogen die Wissenschaftler die Möglichkeit in Betracht, dass Organismen, die nur aus Fossilien bekannt sind, in einem unerforschten Teil der Erde noch weiterleben könnten.
Als Charles Darwin 1859 "Über die Entstehung der Arten" veröffentlichte, wurde das Konzept des Aussterbens der Arten immer mehr akzeptiert, aber die Ursache des Aussterbens blieb ein Rätsel. Das kontinuierliche Aussterben war ein wesentlicher Bestandteil von Darwins Theorie der natürlichen Selektion, da er es als logisches Ergebnis der Evolution von Arten betrachtete, die wettbewerbsfähiger, bessere Raubtiere oder auf andere Weise fitter waren als ihre Vorfahren. Daher waren die Vorfahren ausgestorben und durch ihre überlegenen Nachkommen ersetzt worden. Die einzige Illustration, die Darwin in sein Buch aufnahm, ist die eines frühen phylogenetischen Baums, auf den er sich mehrfach bezog, um sein Argument zu untermauern, dass das Aussterben ein Nebenprodukt der Evolution war.
Jeder lebende Organismus entsteht, besteht für eine gewisse Zeit fort und geht schließlich zugrunde. Das Gleiche gilt auch für Arten, daher ist das endgültige Schicksal aller Arten das Aussterben. Eine Art stirbt aus, wenn sie nicht mehr in ihrer Umgebung überleben und sich fortpflanzen kann und nicht in eine neue umziehen kann. Es wird geschätzt, dass über 99% aller Arten, die jemals existiert haben, ausgestorben sind, wobei die meisten eine durchschnittliche "Lebensdauer" von 1-10 Millionen Jahren haben. Das Aussterben kann allmählich aufgrund langsamer Umweltveränderungen oder der Unfähigkeit, mit einer aufstrebenden Art zu konkurrieren, oder es kann plötzlich aufgrund von katastrophalen Ereignissen, der Zerstörung von Lebensräumen, Umweltverschmutzung oder Überjagung erfolgen.
<h4>Aussterben in großem Maßstab</h4>
Massenaussterben oder Aussterbeereignisse sind große weltweite Rückgänge der biologischen Vielfalt, wenn die Aussterberaten die Artbildungsraten übersteigen. Massenaussterben werden in der Regel durch geologische oder astronomische Ereignisse wie Vulkanausbrüche, Veränderungen der atmosphärischen Zusammensetzung, Anstieg oder Abfall des Meeresspiegels, globale Abkühlung und Erwärmung sowie Asteroideneinschläge verursacht.
Fünf große Massenaussterbeereignisse wurden identifiziert und verwendet, um die geologische Zeit in verschiedene Epochen oder Perioden zu unterteilen, die innerhalb von Epochen verschachtelt sind. Wenn mehrere Arten sehr abrupt aussterben, verschwinden sie aus dem Fossilienbestand und liefern eine Metrik für das Ende einer bestimmten Unterteilung der geologischen Zeitskala und den Beginn einer neuen Zeitperiode.
<h4>Das Perm-Trias-Aussterben</h4>
Das größte Massenaussterben, das Perm-Trias-Aussterben, auch bekannt als "Das große Sterben" oder die "Perm-Trias-Katastrophe", fand vor etwa 252 Millionen Jahren am Ende des Perms statt und trieb über 90% aller Arten zum Aussterben 1. Ein weiteres bekanntes Massenaussterben ist das Kreide-Paläogen (K-Pg) oder Kreide-Tertiär (KT) Aussterben, das sich vor etwa 66 Millionen Jahren ereignete2. Während die Ursache des K-Pg-Aussterbens breit diskutiert wurde, hat man sich auf einen Asteroideneinschlag auf der mexikanischen Halbinsel Yucatán als wichtigste Ursache des Ereignisses geeinigt. Dieser massive Einschlag führte in bestimmten Gebieten zu geologischen Instabilitäten, die zu Erdbeben, erheblichen Mengen vulkanischer Aktivität sowie einem dramatischen Anstieg des Meeresspiegels führten. Darüber hinaus löste es auch massive Brände aus, die wiederum die Luft mit einer dicken Schicht aus Asche, Rauch und Staub füllten, die Sonne abschirmten und zu einer Periode der globalen Abkühlung führten.
Der Zeitpunkt des Asteroideneinschlags folgt den massiven Vulkanausbrüchen, die zur Bildung der Deccan Traps im westlichen Zentralindien führten. Diese Eruptionen ereigneten sich über einen Zeitraum von bis zu 30.000 Jahren und begannen vor dem Asteroideneinschlag. Sie verursachten die größte Vulkanformation der Erde, die eine Fläche von über 200.000 Quadratmeilen bedeckt. Diese Eruptionen hätten auch einen nachhaltigen Klimawandel verursacht und werden daher entweder als alternative Ursache für den Asteroideneinschlag oder als Verstärkung der Umweltstörungen, die auf den Einschlag folgten, angesehen.
<h4>Globaler Artenverlust</h4>
Das K-Pg-Ereignis ist vor allem für das Aussterben der Dinosaurier bekannt; Dinosaurier waren jedoch nicht die einzigen betroffenen Taxa – etwa 75% aller Arten starben während dieses Ereignisses aus. Dennoch waren nicht alle Taxa gleichermaßen betroffen, und einige profitierten später von der Öffnung zuvor besetzter Nischen2. Säugetiere und Amphibien gehörten beide zur letztgenannten Gruppe. Während die Vielfalt während des Aussterbens verloren ging, verloren diese beiden Taxa weniger an Vielfalt als viele andere Taxa, und beide Gruppen durchliefen nach dem Untergang anderer großer Tetrapoden, wie z.B. der Archosaurier, eine adaptive Radiation. Von den Archosauriern überlebten nur die Abstammungslinien, die zu Vögeln und Krokodilen führten. Daher werden Nicht-Vogel-Dinosaurier im Fossilienbestand nicht jenseits der K-Pg-Grenze beobachtet, und es wird angenommen, dass sie aufgrund ihrer mangelnden Fähigkeit, Schutz zu suchen, und ihrer Abhängigkeit von fleischfressender Nahrung schnell und vollständig ausgestorben sind. Der Fossilienbestand für Insekten zeigt große Schwankungen zu Beginn des Paläogens. Es ist möglich, dass diese Variation auf die Unvollkommenheit des Fossilienbestands zurückzuführen ist und einige Stadien anfälliger für die Konservierung von Fossilien waren als andere. Es ist jedoch auch bekannt, dass Insekten ähnliche Trends wie andere Taxa erlebten, die unmittelbar nach dem Aussterben von K-Pg abnahmen und sich dann wieder erholten. Ein Höhepunkt am Thermischen Maximum ist auch für dieses Taxon zu beobachten. Auch die Osteichthyes, oder die Knochenfische, weisen ein unregelmäßiges Muster der Vielfalt auf. Vor allem Fossilien aus dem Tiefseemeer sind schwer zu finden, was zu dieser Unregelmäßigkeit beitragen könnte, aber es ist erwähnenswert, dass die höchste Diversität an Knochenfischen beim thermischen Maximum liegt. Es wird angenommen, dass flache Meere während des Aussterbeereignisses die schlimmsten Auswirkungen erlitten haben, da der Anstieg des Meeresspiegels und die verminderte Photosynthese im Vergleich zu anderen marinen Lebensräumen stärker waren. Die Weichtiere erlebten nach dem Aussterben von K-Pg einen enormen Rückgang, und diese Zahlen werden bis zum Ende des Paläogens nicht wieder erreicht. Echinodermata und Crustacea verzeichnen einen ähnlichen Rückgang, jedoch können diese Zahlen auch durch den Mangel an fossilisierenden Strukturen in beiden Gruppen beeinflusst werden.
Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass wir in eine neue geologische Ära eingetreten sind, die als Anthropozän bekannt ist, zusammen mit dem "sechsten Massenaussterben"1-2. Dieser Vorschlag basiert auf den globalen Veränderungen sowie der hohen Rate des globalen Aussterbens als Folge menschlicher Aktivitäten wie Überjagung, Umweltverschmutzung, Zerstörung von Lebensräumen, invasiven Arten und Klimawandel. Da das derzeitige Aussterben durch menschliche Aktivitäten verursacht wird, unterscheidet es sich von den anderen Massenaussterben, die größtenteils auf astronomische und geologische Prozesse zurückzuführen sind. Die derzeitige Aussterberate ist bis zu 100-mal höher, als sie ohne menschlichen Einfluss erwartet wurde, und sie ist wahrscheinlich höher, wenn man Arten berücksichtigt, die noch nicht entdeckt wurden. Wenn man bedenkt, dass die Rate des Anthropozän-Aussterbens gleich oder größer ist als die der früheren Massenaussterbeereignisse, ist schnelles Handeln erforderlich, um die enormen Verluste für gefährdete Bevölkerungsgruppen rückgängig zu machen.
<h4>Referenzen</h4>
<ol class="Referenzen">
	<li>Benton, Sarda Sahney und Michael J. Erholung vom tiefgreifendsten Massenaussterben aller Zeiten. Proc Biol Sci. 2008, Bd. 275, (1636) 759–765.</li>
	<li>Thomas John Dixon Halliday, Paul Upchurch und Anjali Goswami. Die Eutherier erlebten unmittelbar nach dem Massenaussterben aus der Kreidezeit und dem Paläogen erhöhte Evolutionsraten. Proc Biol Sci. 2016, Bd. 283, (1833) 20153026.</li>
	<li>Barnosky AD, Matzke N, Tomiya S, Wogan GO, Swartz B, Quental TB, Marshall C, McGuire JL, Lindsey EL, Maguire KC, Mersey B, Ferrer EA. Ist das sechste Massenaussterben der Erde schon da? Natur. 2011, Bd. 471, (7336) 51-7.</li>
	<li>Madliger CL, Franklin CE, Hultine KR, van Kleunen M, Lennox RJ, Love OP, Rummer JL, Cooke SJ. Konservierungsphysiologie und die Suche nach einem "guten" Anthropozän. Conserv Physiol. 2017, Bd. 5, (1) cox003.</li>
</ol>

Aussterben

Die Geschichte des Lebens auf der Erde
Fossilien von Organismen, die sich von allem heute Lebenden unterschieden, waren bereits im 17. Jahrhundert dokumentiert worden, aber es ...

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Lehre

JoVE Lab Manual

Biologie

Ecology

Ökologie

mass extinction and the fossil record

Mass extinction is a major loss of species, and the fossil record shows how these events changed life on Earth. Fossils from different rock layers helped scientists see that life has a long history. In the early 19th century, that idea helped launch paleontology, the study of fossils and ancient life.

At first, many scientists did not fully accept that a species could disappear forever. They thought unknown organisms seen only in fossils might still live in unexplored places on Earth. By 1859, when Charles Darwin published On the Origin of Species, extinction was becoming more accepted, but its cause was still unclear. Darwin linked extinction to natural selection, where better-adapted species outcompete older ones and replace them over time.

A species goes extinct when it can no longer survive and reproduce in its environment and cannot move to a new one. Over 99% of species that have ever existed are estimated to have gone extinct. Most species last about 1 to 10 million years. Extinction can happen slowly because of environmental change or competition, or suddenly because of disasters, habitat loss, pollution, or overhunting.

Mass extinctions, also called extinction events, are global drops in biodiversity. They happen when extinction rates become higher than speciation rates, which is the rate at which new species form. These events are often linked to volcanic eruptions, changes in air composition, sea level changes, global cooling or warming, and asteroid impacts. Five major mass extinctions are recognized, and they help divide geologic time into eras and periods. When many species disappear at once, they also leave a clear signal in the fossil record.

The largest known mass extinction was the Permian-Triassic extinction, also called the Great Dying, about 252 million years ago. It happened at the end of the Permian Period and eliminated over 90% of species. Another famous event was the Cretaceous-Palaeogene, or K-Pg, extinction about 66 million years ago. Scientists now agree that a huge asteroid impact on the Yucatan Peninsula of Mexico was a major cause. The impact likely triggered earthquakes, major volcanic activity, and sea level rise, and it also caused fires that filled the air with ash, smoke, and dust. That blocked sunlight and led to global cooling.

The K-Pg event also came after the Deccan Traps eruptions in west-central India. These eruptions lasted as long as 30,000 years and formed the largest volcanic feature on Earth, covering more than 200,000 square miles. They likely added to long-term climate change. For that reason, some scientists view the eruptions as an alternative cause or as an added stress that worked with the asteroid impact.

The K-Pg extinction is best known for the loss of dinosaurs, but they were not the only group affected. About 75% of all species went extinct. Some groups later benefited when empty ecological niches opened up. Mammals and amphibians lost diversity at a lower rate than many other groups and then diversified after large tetrapods such as archosaurs declined. Among the archosaurs, only the lineages leading to birds and crocodiles survived. Non-avian dinosaurs do not appear above the K-Pg boundary in the fossil record, and they are thought to have died out quickly because they could not shelter well and depended on carnivorous diets.

Other groups also show the effect of the K-Pg event in different ways. Insects dropped after the extinction and then rebounded, although changes in fossil preservation may affect the pattern. Bony fish, or Osteichthyes, show an uneven diversity record, especially because deep-water fossils are hard to find. Shallow seas may have been hit hardest because sea level rise and reduced photosynthesis affected them more. Molluscs declined greatly and did not recover by the end of the Paleogene. Echinoderms and crustaceans also declined, although their fossil record may be affected by the lack of hard parts that fossilize easily.

Some scientists think Earth may now be entering the Anthropocene, along with a possible Sixth Mass Extinction. This idea is based on rapid global change and high extinction rates caused by human activity. Overhunting, pollution, habitat destruction, invasive species, and climate change all contribute. The current extinction rate may be up to 100 times higher than expected without human influence, and it could be even higher because many species have not yet been discovered. Because this rate is comparable to earlier mass extinctions, rapid action is needed to protect vulnerable populations.

Mass Extinction and the Fossil Record

animal behavior

Drosophila Taxis in Animal Behavior

Drosophila taxis behavior is a key part of animal behavior studies. The common fruit fly, Drosophila melanogaster, is a widely used model organism in biology. It is easy to keep in small tubes, it has a short generation time of about two weeks, and males and females are easy to tell apart because males have black coloration toward the posterior and females have banded abdomens. Scientists have used Drosophila for more than a century. Thomas Hunt Morgan and his students studied mutant flies in...

energy dynamics

Food Chain Energy Flow and Biomass

Food chain energy flow shows how energy moves through ecosystems from one organism to the next. Energy cannot be created or destroyed, so it can only change form or be passed along to another organism. When a cow grazes on grass or an osprey eats fish, energy moves to the consumer. Each transfer is part of a trophic level, and these links help explain how ecosystems stay balanced. Primary producers sit at the base of the food chain. They are autotrophs, or self-feeding organisms, because they...

measuring biodiversity

Why Biodiversity Matters in Ecosystems

Biodiversity matters because it helps keep ecosystems healthy and stable. Biodiversity is the variety of living organisms in an ecosystem, and it can be measured at the genetic, species, community, and ecosystem levels. Ecologists often focus on species richness, which is the total number of different species in a local community. They also consider evenness, which describes how similar the abundances of those species are. A community with many species is not always the most diverse if one...

extinction

Mass extinction is a major loss of species, and the fossil record shows how these events changed life on Earth. Fossils from different rock layers helped scientists see that life has a long history. In the early 19th century, that idea helped launch paleontology, the study of fossils and ancient life. At first, many scientists did not fully accept that a species could disappear forever. They thought unknown organisms seen only in fossils might still live in unexplored places on Earth. By 1859,...

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Hawk-Dove Strategy in Animal Populations

Hawk-dove strategy helps explain how animals compete and cooperate in populations. Organisms often face costs when they try to get food, shelter, or mates. Because of that, individuals can use different behavioral strategies to gain an advantage. This is clear in polymorphic mating systems, where one sex, usually males, uses more than one mating strategy. For example, dominant male sea lions defend groups of females on the beach. Non-dominant males stay in or near the water and try to mate...

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Patch use in optimal foraging explains how organisms balance food gain against the time and energy needed to search for it. Foraging is not limited to food. Animals also search for habitats, shelter, and mates. Each choice has costs and benefits. A resource provides a benefit, but finding and capturing it takes effort. Optimal Foraging Theory models how organisms reach the best balance between those costs and gains. A key idea in this theory is that resources are often clumped into patches...

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Learn how mass extinctions appear in the fossil record, from the Great Dying and K-Pg event to today’s human-driven extinction crisis.

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Heredity: Inheritance and Variation of Traits

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The term ribozyme is used for RNA that can act as an enzyme. Ribozymes are mainly found in selected viruses, bacteria, plant organelles, and lower ...

Construct an explanation to illustrate how common ancestry and biological evolution are supported by multiple lines of empirical evidence.

LS.Bio.9.2

Use models to illustrate the conditions required for natural selection, including the overproduction of offspring, inherited variation, and the struggle to survive.

LS.Bio.9.3

Understand natural selection as a mechanism for biological evolution.

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