Существует много гипотез о причинах, которые могли привести к массовому вымиранию организмов.
Если мы оставим в стороне явно необоснованные предположения, общее количество гипотез о вероятных причинах массовых вымираний окажется сравнительно небольшим. Еще меньше число тех изменений природной среды, ухудшавших условия существования организмов, которые не только могли происходить, но и несомненно происходили в прошлом. К числу таких явлений относятся, в частности, колебания вулканической активности и падения на поверхность Земли крупных метеоритов.
Уже в начале нашего века было установлено, что после вулканических извержений взрывного характера на всем земном шаре (или в одном из полушарий) происходит резкое уменьшение солнечной радиации, приходящей к земной поверхности.
Представлены изменения отношения средних месячных значений прямой радиации при безоблачном небе к их нормам после извержения вулкана Катмай на Аляске, которое произошло в 1912 г. Эта кривая, построенная по данным наблюдений на нескольких актинометрических станциях в Европе и Северной Америке, показывает, что в отдельные месяцы прямая радиация уменьшалась более чем на 20 %.
В дальнейшем было установлено, что причина такого уменьшения — распространение в атмосфере продуктов вулканического извержения, в особенности сернистого газа. Попадая в нижнюю стратосферу, этот газ окисляется и, соединяясь с молекулами воды, образует малые капли серной кислоты. Эти капли сохраняются в стратосфере до нескольких лет, образуя экран, уменьшающий приход солнечной радиации к земной поверхности.
Если бы изменения температуры нижнего слоя воздуха зависели только от колебаний прямой радиации, каждое взрывное вулканическое извержение приводило бы к глобальной экологической катастрофе. Как известно, уменьшение солнечной радиации на 1 % приводит к понижению средней температуры нижнего слоя воздуха примерно на 1,5 °С. При этом условии уменьшение радиации на 20 % должно было понизить температуру воздуха на 30 °С, что несомненно привело бы к гибели множества организмов.
На самом деле существует два физических механизма, ослабляющих влияние колебаний прямой солнечной радиации на температуру нижнего слоя воздуха. Один из них связан с усилением в результате ослабления прямой радиации на каплях серной кислоты рассеянной радиации, в результате чего приходящая к земной поверхности суммарная радиация уменьшается приблизительно на 1/6 уменьшения прямой радиации.
Второй механизм — влияние термической инерции системы Земля—атмосфера, обусловленное в основном термической инерцией верхних слоев океана. Как показывают расчеты, этот фактор уменьшает влияние ослабления радиации после одиночных вулканических извержений примерно в десять раз. Учитывая влияние этих двух факторов, можно найти, что фактическое понижение средней температуры нижнего слоя воздуха после крупного вулканического извержения должно достигать около 0,5 °С. Эта величина хорошо согласуется с данными наблюдений на метеорологических станциях за изменениями средней температуры воздуха после вулканических извержений взрывного типа.
Известно, что за последнее столетие произошло около пяти таких извержений. Не подлежит сомнению, что в прошлом бывали интервалы времени с гораздо большим уровнем вулканической активности. Если из-за усиления вулканизма, обусловленного тектоническими процессами, или из-за случайного совпадения во времени на протяжении одного или нескольких десятилетий осуществится серия из десяти или большего числа последовательных взрывных извержений, понижение температуры воздуха может быть гораздо больше 0,5 °С. Одна из причин этого — уменьшение влияния термической инерции океанов на режим температуры при длительном изменении притока солнечной радиации. Если влияние термической инерции невелико, в указанных выше условиях понижение температуры может достигнуть 5°С. Так как при росте вулканической активности средняя интенсивность взрывных извержений возрастает, повышение температуры в таких условиях может достигнуть еще больших значений. Следует думать, что за достаточно длительное время — на протяжении многих миллионов лет — происходили совпадения в течение нескольких десятилетий десятков извержений взрывного характера. Можно рассчитать, за какие интервалы времени такая возможность должна осуществиться. Соответствующий расчет дает значение длительности этого интервала 107—108 лет, что совпадает с интервалами времени между критическими эпохами.
Гипотеза о связи критических эпох с моментами столкновения Земли с кометами, крупными метеоритами и астероидами высказывалась неоднократно. Эта гипотеза, так же как и предыдущая, относится к событиям, которые в прошлом несомненно имели место. На близких к Земле небесных телах, лишенных (или почти лишенных) атмосферы, отчетливо видны следы многочисленных ударов крупных метеоритов. На Луне, Меркурии и Марсе размеры кратеров, образованных такими ударами, достигают сотен километров. Хотя на Земле следы подобных образований обычно исчезают под влиянием атмосферных факторов, в ряде районов обнаружены остатки крупных метеоритных кратеров.
Падение крупного метеорита сопровождалось грандиозным взрывом, в результате чего происходило кратковременное повышение температуры воздуха. Это потепление сменялось более длительным похолоданием из-за значительного увеличения аэрозольного слоя в атмосфере, которая оказалась заполненной продуктами взрыва. Физический механизм такого похолодания в значительной мере аналогичен похолоданиям после единичного крупного вулканического извержения, хотя снижение температуры в данном случае могло быть гораздо большим из-за громадной мощности взрыва. Следует думать, что после падения большого метеорита, как и после одиночных вулканических извержений, атмосфера освобождалась от аэрозольных частиц взрывного происхождения в течение нескольких лет.
В последние годы были предприняты попытки найти рассеянное метеоритное вещество в слоях, соответствующих эпохам крупных вымираний животных. Эти попытки дали интересные результаты. Так, в частности, в слоях, относящихся к концу мелового периода, были найдены избыточные количества иридия, характерные для вещества внеземных тел. В дальнейшем аналогичные аномалии были обнаружены в концентрациях многих других металлов. По этим данным был рассчитан вероятный диаметр метеорита, столкнувшегося с Землей, который оказался равным около 10 км.
Кроме вулканической и метеоритной гипотез, существует еще ряд предположений о причинах резких изменений природных условий в геологическом прошлом, хотя эти предположения или мало разработаны, или встречают различные возражения. В частности, известная идея о возможности влияния на земные организмы взрывов сверхновых звезд на сравнительно близком расстоянии от нашей планеты проверялась по данным об изотопном составе ряда элементов для эпох массовых вымираний. Такие анализы дали отрицательные результаты.
Хотя вопрос о возможных механизмах, создававших резкие изменения природных условий, еще далеко не исчерпан и требует дальнейшего изучения, принимая во внимание узость «климатической зоны жизни» (диапазона атмосферных условий, в котором возможно существование организмов), следует считать в высокой степени вероятным, что за длительное время существования биосферы в определенные моменты эта зона для отдельных групп организмов исчезала в результате воздействия на окружающую среду различных внешних факторов, в том числе тех, которые названы выше.