The marine biological impact of the Messinian Mediterranean crisis. Lessons from the geological past.

[Based on this paper in Science and this related article at The Conversation]

What would happen if humans dried out the Mediterranean sea, turning it into a giant salt lake? Would its wildlife survive, and if not, how long would it take to recover? These may seem like wildly theoretical questions, but not for Herman Sörgel, a Bavarian architect who dedicated much of his life to this exact project: building a giant dam across the Strait of Gibraltar, letting the Mediterranean dry up, and colonising the land reclaimed from the sea.

Map of the Mediterranean, showing the land that could be claimed 

from the by damming the Gibraltar Strait

Map of Herman Sörgel’s Atlantropa project, which aimed 

to partially empty the Mediterranean in order to gain more land 

in Europe, an extension of Nazi Germany’s idea 

of Lebensraum. 

Sörgel organised lectures and documentaries and raised funds until the 1950s for a project which, he believed, would promote cooperation between Africa and Europe, and power both continents through gigantic hydroelectric megaprojects.

What he did not know was that his dream had already come true at the end of the Miocene era, 5.5 million years ago, as a simple result of natural forces.

Visualisation of the Messinian Salinity Crisis.

Since the 1970s, several generations of marine geologists and geophysicists have confirmed the existence of a one to three kilometre thick layer of salt buried throughout most of the deeper parts of the Mediterranean Sea. This is almost a million cubic kilometres of salt that testify to a brief period when the Mediterranean was isolated from the rest of the world’s oceans – brief in the geological sense, as the episode lasted about 190,000 years.

The culprit was not, of course, an eccentric German architect, but plate tectonics. The Mediterranean basin, trapped between two continents that today continue to move closer by up to two centimetres every year, was cut off from the Atlantic. Its waters quickly evaporated due to the region’s arid climate, leaving behind vast amounts of salt.

This episode, known as the Messinian salinity crisis (the Messinian being the last period of the Miocene), is the biggest extinction event suffered by the Earth since the meteorite that wiped out the flightless dinosaurs and ended the Mesozoic era 65 million years ago. Closure of the last connecting channel between the Mediterranean and the Atlantic, leading to the Messinian salinity crisis 5.96 million years ago. (B) and (C): the rivers that formerly drained into the Mediterranean carved deep gorges into the continent’s edges; (D) evaporation caused salt saturation in the waters and the precipitation of salt layers more than a kilometre thick; (E) lakes remained in the deepest parts of the sea.

As a result, no geoengineering experiments are needed to answer our initial question: how resilient is marine life in the face of an environmental crisis of this magnitude?

The answer has just been published in the journal Science, in a study led by Konstantina Agiadi of the University of Vienna in collaboration with the Spanish National Research Council and 28 other scientists from 25 European institutes.

After gathering all Mediterranean fossil data from between 12 and 3.6 million years ago, the results suggest that native marine life was virtually extinct when the Mediterranean was cut off, and that subsequent recolonisation by Atlantic species gave rise to a Mediterranean fauna more similar to the one we find there today.

Native, extinct and migrant species

By statistically analysing information from more than 750 scientific papers, we were able to document 22,932 presences of a total of 4,897 marine species living in the Mediterranean. Before the crisis, 779 species could be considered endemic species (i.e. documented only in the Mediterranean). Of those, only 86 were still present after the salinity crisis. All the tropical corals that were abundant in the Mediterranean before this cataclysmic environmental change disappeared. However, some apparently endemic sardine species managed to survive. The sirenian, a sea mammal related to today’s manatees and dugongs (also known as sea cows) also survived.

Because fossil records are limited and fragmented we cannot be certain that these species were all endemic, or that they would not have survived outside the Mediterranean, hence the value of basing our study on statistics from a large number of species. But for those that were endemic, where did they manage to survive, and what refuges did they find to avoid the radical increase in salt levels and temperature?

These questions remain unanswered, but we have been able to establish that changes in populations are the result of replacement by Atlantic species after the Mediterranean’s re-flooding, rather than rapid adaptation to the new hypersaline environment. In other words, life did not have enough time to adapt, and the extinct species were replaced by Atlantic species that migrated into the Mediterranean.

Several iconic species, such as the great white shark and the dolphin, only appeared in the Mediterranean after the crisis. Even more interestingly, the current richness of fauna in the western Mediterranean only came after the re-flooding – previously, the eastern Mediterranean (Ionian and Levantine Seas) had possessed a higher number of different species.

A dugong feeding on the sea floor near Marsa Alam, Egypt.
Picture: Julien Willem, Wikimedia Commons, CC BY-SA.
Dugong or Sea cow (Metxitherium serresii, order sirenia) is the single mammal that may have
survived in the Mediterranean Sea across its hypersaline period.
Due to the limited paleontological record, however, it cannot be excluded that their survival took place out of this sea. 

Lessons on mass extinction

The impact of the Mediterranean’s isolation on its fauna and flora was catastrophic, destroying most of its ecosystems. Another significant finding from our research is that it took more than 1.7 million years for species numbers to recover. This slow recovery of the richness of Mediterranean ecosystems provides the first detailed quantification of how wildlife responds to an extinction event of this magnitude.

The Mediterranean’s biodiversity today is very high thanks to the presence of numerous endemic species. Our results suggest that this was also the case six million years ago, but that the vast majority of these endemic species disappeared when it was cut off from the Atlantic.

Perhaps another lesson learned from this study is that, however tempting it may be to believe that geoengineering projects can allow us to maintain our current rate of emissions and ecosystem destruction, the Earth’s geological past will reveal more than any experiment.

When the Mediterranean was reconnected to the Atlantic, it was repopulated by the huge reserve of species in the world’s oceans, yet it still took millions of years for the Mediterranean’s ecosystems to recover in terms of richness. No one knows yet how long it will take for marine life to recover from the kind of global-scale change that is currently underway.

Cómo acabar con el 89% de las especies mediterráneas. Lecciones del pasado geológico.

[Basado en esta publicación en Science el artículo publicado en The Conversation]

¿Qué pasaría si convirtiéramos todo el mar Mediterráneo en una gigantesca salina? ¿Sobreviviría su fauna? ¿Cuánto tiempo necesitaríamos para recuperarla? Parecerían preguntas intrascendentes si no fuera porque un arquitecto bávaro dedicó buena parte de su vida a ese proyecto: construir una gran presa a través del estrecho de Gibraltar y dejar que el Mediterráneo se secara para colonizar el terreno ganado al mar. 

Mapa del proyecto Atlantropa de Herman Sörgel, 

complementario al Lebensraum de la Alemania nazi, 

que buscaba el vaciado parcial del Mediterráneo 

para ganar más tierra en Europa.

Herman Sörgel organizó conferencias y documentales y recaudó financiación hasta los años 50 para un proyecto que, pensó, fomentaría la cooperación entre África y Europa y electrificaría ambos continentes con gigantescos proyectos hidroeléctricos. Incluso se acercó al gobierno nazi para comercializar lo que él veía como una esperanza para unir los pueblos Mediterráneos. Ni que decir tiene que en Berlín se impusieron otros planes menos filántrópicos.

Lo que Sörgel no sabía es que su humanitario sueño ya había sido realidad cinco millones y medio de años antes, a finales de la era del Mioceno, sin más proyecto detrás que el de las leyes naturales. 

Cuando el Mediterráneo se secó

Desde la década de los 70, varias generaciones de geólogos y geofísicos marinos han confirmado la existencia de una capa de sal de entre uno y tres kilómetros de espesor enterrada en la mayor parte del Mediterráneo más profundo. 

Se trata de casi un millón de kilómetros cúbicos de sal que atestiguan un breve periodo de aislamiento del Mediterráneo del resto del océano. Breve en el sentido geológico, porque el episodio duró unos 190 000 años. Y no solo eso: el seco clima mediterráneo provocó la evaporación de sus aguas y expuso a la intemperie gran parte de su suelo marino tras la precipitación de toda aquella sal.

Resumen divulgativo de uno de los modelos 

propuestos para explicar el periodo hipersalino del Mediterráneo.

El responsable no fue ningún excéntrico arquitecto alemán sino la tectónica de placas. La cuenca mediterránea, atrapada entre dos continentes que continúan hoy aproximándose hasta dos centímetros cada año, quedó aislada del Atlántico y sus aguas fueron rápidamente evaporadas debido al clima árido que domina nuestro planeta en estas latitudes.

Este escenario, conocido como la crisis de salinidad del Messiniense (el último periodo del Mioceno, que terminó hace 5,33 millones de años), es el mayor cataclismo sufrido por la Tierra desde la caída del meteorito que acabó con los dinosaurios no voladores y con la era Mesozoica hace 65 millones de años. 

Gracias a ello, no es necesario ningún experimento geoingenieril para responder a la pregunta inicial: ¿cómo de resiliente es la vida marina frente a una crisis medioambiental de este calibre? 

La respuesta acaba de ser publicada en la revista Science, en un estudio liderado por Konstantina Agiadi, de la Universidad de Vienna, con la colaboración del Geociencias Barcelona (CSIC) y de 25 paleontólogos de otros 23 centros europeos. Tras reunir toda la información fósil del Mediterráneo de entre hace 11 y 2 millones de años, los resultados sugieren que la vida marina autóctona fue prácticamente extinguida durante el aislamiento del Mediterráneo y que la posterior recolonización por especies atlánticas dio origen a la fauna mediterránea tal y como la conocemos hoy en día. 

Las especies autóctonas, las desaparecidas y las inmigrantes

Analizando estadísticamente la información de más de 750 artículos científicos hemos podido documentar 22 932 presencias de vida marina fósil que documentan 2 006 especies mediterráneas antes de la salinización del Mediterráneo. De las 693 especies posiblemente endémicas (encontradas solo en el Mediterráneo), solo 86 seguían presentes después del fenómeno salino. A modo de ejemplo, todos los corales tropicales que abundaban en el Mediterráneo antes del gigantesco cambio medioambiental desaparecieron. En cambio, alguna especie de sardina aparentemente endémica logró sobrevivir. Un ejemplo de mamífero superviviente es el sirenio, emparentado con los actuales manatíes y dugongos (también conocidos como vacas marinas, ver imagen). Debido a lo limitado y fragmentado del registro fósil, no podemos asegurar que estas especies fueran todas endémicas ni que no hubieran sobrevivido fuera del Mediterráneo, de ahí el valor de realizar este estudio de forma estadística con un gran número de especies. Pero las que lo fueran, ¿dónde consiguieron sobrevivir? ¿Qué refugios encontraron para evitar el radical aumento de salinidad y temperatura? 

El dugongo o vaca marina (orden sirenia) es el único mamífero que quizá pudo haber sobrevivido a la crisis salina en el Mediterráneo.  Su esqueleto fósil ha sido encontrado en sedimentos anteriores y posteriores a la salinización, sólo en el Mediterráneo. Sin embargo, no puede excluirse que viviera (y sobreviviera) fuera de ese mar y que aún no haya sido encontrada evidencia fósil. 

Estas preguntas siguen sin respuesta, pero sí hemos podido constatar que los cambios de las poblaciones son debidos al reemplazo por especies atlánticas tras la reinundación, más que a una rápida adaptación al nuevo medio hipersalino. Es decir, la vida no tuvo tiempo para adaptarse y las especies extintas fueron sustituidas por otras exóticas, atlánticas. 

Algunas especies icónicas como el gran tiburón blanco o el delfín aparecieron por primera vez en el Mediterráneo solo tras la crisis. Y aún más interesante: la actual mayor riqueza faunística del Mediterráneo occidental se estableció tras la reinundación, mientras que anteriormente el número de especies era mayor en el Mediterráneo oriental (mar Jónico y mar de Levante).

Lecciones sobre las extinciones masivas

El impacto del aislamiento del Mediterráneo sobre su fauna y flora fue por tanto enorme, destruyendo la mayoría de sus ecosistemas y su conectividad. Otro importante resultado que hemos obtenido estudiando aquel gigantesco experimento natural es que la recuperación en términos de número de especies duró más de 1,7 millones de años. Esta lenta recuperación de la riqueza de los ecosistemas mediterráneos proporciona la primera cuantificación detallada de la respuesta biológica estadística a un evento de extinción de esta magnitud. 

La biodiversidad mediterránea actual es muy alta gracias a la presencia de numerosas especies endémicas. Nuestros resultados sugieren que esto también era así hace 6 millones de años, pero que la gran mayoría de esas especies endémicas desaparecieron durante el aislamiento y salinización del Mediterráneo.

Y quizá otra lección aprendida de este estudio sea que, por muy tentadores proyectos de geoingeniería que se nos ocurran, por más que soñemos con evitar una catástrofe climática manteniendo el actual ritmo de emisiones o evitar un desastre ecológico continuando con la destrucción de ecosistemas: más vale aprovechar las experiencias del pasado geológico de la Tierra que experimentar con ella. El Mediterráneo mantuvo al océano global como reservorio de especies y aún así tardó millones de años en recuperarse. Nadie sabe aún cuánto tardará en recuperarse la vida marina de un cambio a escala global como el que está en curso.