Biodiversity patterns across the Late Paleozoic Ice Age
Plain Language Abstract
The alternation of cold and mild phases during the Late Paleozoic Ice Age (LPIA; 372 – 254 million years ago) led to changes in the composition of animal life. We analyze how the diversity of lamp shells (brachiopods), snails (gastropods), and bivalves (clams, scallops, mussels, etc.) changes throughout the LPIA. In general, brachiopods were more diverse than gastropods and bivalves, but the rates of extinction and origination are similar in all three groups. With regard to environmental factors, most taxa favored deeper marine and reefal settings. Siliciclastic sediments were favored, while grain size of the sea floor sediments was less important. Origination and extinction patterns are similar in different environments and when all environments are grouped together. Our results support that the fauna was well adapted to changes throughout the LPIA. Sea-surface temperature was not the main force driving changes in faunal composition. Since the patterns of faunal change are similar in different environments, we conclude that the habitat was of minor influence.
Resumen en Español
Patrones de biodiversidad a lo largo de la Edad de Hielo del Paleozoico Tardío
La Edad de Hielo del Paleozoico Tardío (Late Palaeozoic Ice Age; LPIA; Fameniano a Wuchiapingiano) fue testigo de dos transiciones entre condiciones de congelamiento y de invernadero (ice- y greenhouse conditions). Estas alternancias produjeron alteraciones drásticas en el sistema marino (e.g., nivel del mar, tamaño del hábitat, temperatura superficial oceánica) forzando cambios faunísticos. Para reevaluar la respuesta de la fauna marina global, analizamos la dinámica de diversidad de taxones de braquiópodos, bivalvos y gastrópodos a lo largo de la LPIA usando información de la Paleobiology Database. Esta dinámica fue analizada en relación a las afinidades ambientales de estos clados. Nuestros análisis indican que durante la LPIA más taxones tenían una afinidad hacia los ambientes silicoclásticos que hacia los carbonáticos. Los hábitats de aguas profundas y arrecifales se vieron favorecidos mientras que el tamaño de grano fue menos determinante. En etapas individuales de la LPIA, los clados muestran afinidades bastante constantes hacia un ambiente. Aquellos bivalvos y braquiópodos con una afinidad difieren en las preferencias de hábitat, indicando que podría haber habido algo de competencia entre estos dos clados. Las tasas de origen y extinción son similares durante la fase principal de la LPIA, ya sea que se consideren las afinidades ambientales como que no. Esto subraya que la fauna marina de la LPIA estaba bien adaptada y era capaz de reaccionar a las condiciones ambientales y climáticas cambiantes. Dado que los patrones de cambio faunístico son similares en distintos ambientes, nuestro estudio implica que los cambios en la composición faunística (e.g., pérdida de diversidad durante el LPIA; aumento importante de la diversidad de braquiópodos durante el Pérmico) fueron influenciados por el hábitat solamente en un grado menor, pero más probablemente por factor abióticos aún desconocidos. Sin embargo, la temperatura superficial oceánica tampoco fue la fuerza principal impulsando los cambios en la composición faunística.
Palabras clave: glaciación; origen; extinción; afinidad; litología; braquiópodos
Traducción: Diana Elizabeth Fernández
Résumé en Français
In progress
Translator: Antoine Souron
Deutsche Zusammenfassung
Biodiversitätsmuster während der spätpaläozoischen Eiszeit
Während der spätpaläozoischen Eiszeit (LPIA; Famennium - Wuchiapingium) kam es zweimal zu einem Wechsel zwischen Vereisungs- und Warmphasen. Diese Wechsel führten zu drastischen Veränderungen im marinen System (z.B. Meeresspiegels, Größe der Lebensräume, Temperatur der Meeresoberfläche), welche die Fauna zu Anpassungen zwangen. Um die Reaktion der marinen Fauna auf globaler Ebene zu bewerten, analysieren wir die Diversitätsdynamik von Brachiopoden-, Bivalven- und Gastropoden-Taxa während der spätpaläozoischen Eiszeit unter Verwendung von Daten aus der Paleobiology Database. Die Dynamik in der Diversität wird auch hinsichtlich der Affinität der Kladen zu verschiedenen Habitaten untersucht. Unsere Analysen deuten darauf hin, dass die meisten Taxa eine Affinität zu siliziklastischen Habitaten hatten. Tiefer-marine Habitate und Riffe wurden ebenso bevorzugt, während Korngröße weniger relevant war. Die Affinitäten blieben während der LPIA großteils konstant. Bivalven und Brachiopoden haben unterschiedlichen Affinitäten, so dass diese möglicherweise kaum in Konkurrenz standen. Entstehungs- und Aussterberaten der Kladen sind ähnlich, unabhängig davon, ob Affinitäten berücksichtigt werden oder nicht. Dies lässt den Schluss zu, dass die marine Fauna der spätpaläozoischen Eiszeit gut angepasst und in der Lage war, auf veränderte Umwelt- und Klimabedingungen zu reagieren. Die Daten deuten darauf hin, dass die Anpassungen der Fauna nur zu einem geringen Grad durch den Lebensraum, jedoch höchstwahrscheinlich durch noch unbekannte abiotische Faktoren beeinflusst waren. Auch die Temperatur der Meeresoberfläche war nicht die Hauptantriebskraft für Veränderungen in der Zusammensetzung der Fauna.
Schlüsselwörter: Eiszeit; Entstehung; Aussterben; Affinität; Lithologie; Brachiopoden
Translator: Authors
Arabic
Translator: Ashraf M.T. Elewa
Polski
Modele bioróżnorodności w trakcie późnopaleozoicznej epoki lodowej
Późnopaleozoiczna epoka lodowa (LPIA, famen – wuczaping) charakteryzowała się dwoma wahnięciami między warunkami lodowymi a cieplarnianymi. Oscylacje klimatyczne doprowadziły do drastycznych zmian w systemie oceanicznym (np. zmian względnego poziomu morza, rozmiarów siedlisk, temperatury powierzchni oceanów), które z kolei wymusiły zróżnicowanie zespołów faunistycznych. Aby zbadać reakcję globalnej fauny morskiej w badanym interwale, analizujemy dynamikę różnorodności taksonów ramienionogów, małży i ślimaków w trakcie LPIA wykorzystując dane z Paleobiology Database. Dynamika różnorodności została zanalizowana w odniesieniu do preferencyjnych siedlisk badanych kladów. Przeprowadzone analizy wskazują, że w trakcie LPIA większa liczba taksonów preferencyjnie występowała w środowiskach silikoklastycznych niż w środowiska węglanowych. Częściej zajmowane były siedliska głebokomorskie i rafowe, podczas gdy wielkość ziarna (frakcja) osadu w niewielkim stopniu wpływała na częstość zajmowania danych siedlisk. W poszczególnych stadiach LPIA, klady charakteryzują się raczej stałymi preferencjami środowiskowymi. Małże i ramienionogi z wyraźnymi preferencjami raczej nie występują w tych samych środowiskach, co świadczy o niskiej konkurencji między tymi kladami. Tempa specjacji i wymierania pozostawały na stałym poziomie w trakcie głównej fazy LPIA, niezależnie od uwzględnienia preferencji środowiskowych. Zatem morska fauna LPIA była dobrze przystosowana do środowiska, zdolna do szybkiej reakcji na jego zmiany. Ponieważ modele zmian faunistycznych są podobne dla różnych środowisk, nasza praca sugeruje, że zmiany w składzie faunistycznym (np. spadek różnorodności podczas LPIA, wzrost różnorodności ramienionogów w permie) w niewielkim stopniu zależały od habitatu, a raczej od wciąż nieznanych czynników abiotycznych. Jednakże, temperatura powierzchni oceanów także nie była główną siłą sprawczą zmian w składzie faunistycznym badanych zespołów.
Słowa kluczowe: zlodowacenie; specjacja; wymieranie; preferencyjne środowisko; litologia; ramienionogi
Translator: Anna Żylińska
Russian
Особенности биоразнообразия в течение позднепалеозойского ледникового периода
В течение позднепалеозойского ледникового периода (LPIA, Famennian-Wuchiapingian) произошли два перехода от оледенения к потеплению. Эти изменения привели к радикальным изменениям в морской системе (например, уровня моря, площади биотопов, температуры поверхности моря), вызвавшим изменения фауны. Чтобы адекватно оценить реакцию мировой морской фауны, мы анализируем динамику разнообразия брахиопод, двустворчатых моллюсков и брюхоногих моллюсков для всего LPIA, используя данные из Paleobiology Database. Динамика разнообразия была оценена с точки зрения экологического сходства этих клад. Наши анализы показывают, что в течение LPIA больше таксонов имели сродство к силикатам, чем к карбонатным средам. Глубоководные и рифовые биотопы были более предпочтительными, в то время как размер зерна был менее определяющим. На отдельных этапах LPIA клады демонстрируют довольно постоянное сродство к окружающей среде. Эти двустворчатые моллюски и брахиоподы со сродством отличаются по своим предпочтениям в среде обитания, что указывает на то, что между представителями этих двух клад, возможно, существовала небольшая конкуренция. Темпы возникновения и исчезновения одинаковы во время основной фазы LPIA, независимо от того, учитывается ли экологическая близость или нет. Это подчеркивает тот факт, что морская фауна LPIA была хорошо адаптирована и способна реагировать на изменяющиеся экологические и климатические условия. Поскольку закономерности изменения фауны в разных средах схожи, наше исследование предполагает, что такие изменения (например, потеря разнообразия в течение LPIA; сильное увеличение разнообразия брахиопод в пермское время) находились под влиянием среды обитания лишь в незначительной степени, будучи обусловленными, вероятно, неизвестными абиотическими факторами. Тем не менее, температура поверхности моря также не была главной причиной изменения состава фауны.
Ключевые слова: оледенение; появление; вымирание; сродство; литология; брахиоподы.
Translator: Oleksandr Kovalchuk
Ukrainian
Особливості біорізноманіття протягом пізньопалеозойского льодовикового періоду
Протягом пізньопалеозойского льодовикового періоду (LPIA, Famennian-Wuchiapingian) відбулися два переходи від зледеніння до потепління. Ці зміни призвели до радикальних змін у морській системі (наприклад, рівня моря, площі біотопів, температури поверхні моря), що викликали зміни фауни. Щоб адекватно оцінити реакцію світової морської фауни, ми аналізуємо динаміку різноманітності брахіопод, двостулкових і черевоногих молюсків для всього LPIA, використовуючи дані з Paleobiology Database. Динаміка різноманіття була оцінена з точки зору екологічної подібності цих клад. Наші аналізи показують, що протягом LPIA більше таксонів мали спорідненість до силікатів, ніж до карбонатних середовищ. Глибоководні і рифові біотопи були більш оптимальними, натомість розмір зерна був менш визначальним. На окремих етапах LPIA клади демонструють спорідненість до навколишнього середовища. Двостулкові молюски та брахіоподи зі спорідненістю відрізняються за своїми уподобаннями в середовищі існування, що вказує на те, що між представниками цих двох клад, можливо, існувала невелика конкуренція. Темпи появи і зникнення однакові під час основної фази LPIA, незалежно від того чи враховується екологічна близькість. Це підкреслює той факт, що морська фауна LPIA була добре адаптована і здатна реагувати на мінливі екологічні та кліматичні умови. Оскільки закономірності зміни фауни у різних середовищах схожі, ми припускаємо, що такі зміни (наприклад, втрата різноманітності протягом LPIA; сильне збільшення різноманітності брахіопод у пермський час) перебували під впливом середовища проживання лише в незначній мірі, будучи обумовленими, ймовірно, поки невідомими абіотичними факторами. Проте, температура поверхні моря також не була головною причиною зміни складу фауни.
Ключові слова: зледеніння; поява; вимирання; спорідненість; літологія; брахіоподи.
Translator: Oleksandr Kovalchuk
