Thảm họa Toba

Thảm họa Toba hay sự kiện siêu phun trào Toba là vụ phun trào siêu núi lửa đã xảy ra tại vị trí ngày nay là hồ Toba ở Sumatra, Indonesia, vào thời gian giữa 69 và 77 Ka BP (Ka: Kilo annum, ngàn năm; BP: before present, trước đây).
Theo kết quả định tuổi bằng đồng vị phóng xạ 40Ar/39Ar của Michael Storey et al. thì thời gian xảy ra sự kiện là 73,88 ± 0,32 Ka BP . Đây là một trong những vụ phun trào lớn nhất được biết đến của trái đất, và là sự kiện phun trào siêu núi lửa được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất.
Giả thuyết Thảm họa Toba cho rằng sự kiện này gây ra một mùa đông núi lửa toàn cầu dài cỡ 6-10 năm và có thể tiếp theo là thời kỳ mát lạnh dài cỡ 1.000 năm.
Năm 1993, nhà báo khoa học Ann Gibbons đề xuất rằng có liên hệ giữa vụ phun trào này và một nút cổ chai dân số trong sự tiến hóa loài người. Michael R. Rampino của Đại học New York và Stephen Self của Đại học Hawaii ở Manoa đã hỗ trợ cho ý tưởng này. Năm 1998, lý thuyết cổ chai dân số đã được phát triển thêm bởi Stanley H. Ambrose của Đại học Illinois ở Urbana-Champaign. Cả hai thuyết về liên hệ trên và "lý thuyết mùa đông núi lửa toàn cầu" đang còn là vấn đề tranh cãi.

Siêu phun trào

Sự kiện Phun trào Toba xảy ra tại vị trí nay là hồ Toba, Indonesia, khoảng 75 ± 0,9 Ka BP  . Vụ phun trào này là cuối cùng và lớn nhất trong bốn vụ phun trào của Toba trong kỷ Đệ Tứ, và được xác nhận từ tầng đất gốc tro rơi, hay tầng tuff Toba trẻ nhất (YTT, youngest Toba tuff) .
Vụ phun trào có chỉ số nổ núi lửa (VEI, volcanic explosivity index) ước tính là 8, là mức cao nhất, hay còn gọi là có cường độ ≥ M8. Nó tạo ra miệng núi lửa lớn và phức tạp, cỡ 100 × 30 km. Lượng đá quy đổi (DRE, Dense-rock equivalent) phun trào ước tính của núi lửa vào cỡ 2000 km³ đến 3000 km³, ước tính DRE phổ biến nhất là 2.800 km³ (khoảng 7 × 10¹⁵ kg) magma phun trào, trong đó 800 km³ là từ tro rơi.
Khối lượng phun trào này lớn gấp 100 lần khối lượng của vụ phun trào núi lửa lớn nhất trong lịch sử gần đây, đó là phun trào núi Tambora ở Indonesia năm 1815, là vụ phun trào đã khiến năm 1816 thành "năm không có mùa hè" ở Bắc bán cầu .
Phun trào Toba đã tạo một tro lớp dày khoảng 15 cm (6 inch) trên toàn bộ khu vực Nam Á. Một tấm phủ tro núi lửa cũng đã lắng ở Ấn Độ Dương, biển Ả Rập và Biển Đông Việt Nam . Những lõi khoan biển sâu lấy từ vùng Biển Đông đã mở rộng phạm vi được biết đến của các vụ phun trào, và là cơ sở cho ước tính 2.800 km³ của khối lượng nổ, và là một giá trị tối thiểu hoặc thậm chí một đánh giá thấp .

Cổ chai di truyền ở loài người

Vụ phun trào Toba được cho là liên quan đến một nút cổ chai di truyền trong quá trình tiến hóa loài người vào khoảng 50 Ka BP . Có hai luồng ý kiến trái ngược nhau.
Nhóm thứ nhất cho rằng vụ phun trào tác động đến khí hậu toàn cầu, làm giảm nghiêm trọng tổng dân số loài người.
Theo lý thuyết cổ chai di truyền, trong khoảng từ 50 đến 100 Ka BP dân số loài người giảm mạnh tới mức chỉ còn cỡ 3.000 đến 10.000 cá thể sống sót . Điều này được hỗ trợ bởi bằng chứng di truyền cho thấy con người ngày nay có nguồn gốc từ quần thể có dân số rất nhỏ, với chỉ khoảng 1.000 đến 10.000 cặp sinh sản tồn tại vào thời kỳ khoảng 70 Ka BP .
Những người ủng hộ lý thuyết cổ chai di truyền (kể cả Alan Robock) cho rằng phun trào Toba dẫn đến một thảm họa sinh thái toàn cầu, bao gồm phá hủy thảm thực vật cùng với hạn hán nghiêm trọng trong vành đai rừng mưa nhiệt đới và trong khu vực gió mùa. Một mùa đông núi lửa 10 năm gây ra bởi sự phun trào có thể đã phá hủy phần lớn các nguồn thức ăn của con người và gây ra suy giảm nghiêm trọng trong quy mô dân số . Sự thay đổi môi trường này có thể đã tạo ra cổ chai dân số ở nhiều loài, bao gồm hominid (vượn dạng người) , và điều này có thể đã thúc đẩy sự phân hóa từ bên trong quần thể có dân số nhỏ hơn. Điều này đã phản ánh những thay đổi di truyền của người hiện đại trong 70 Ka vừa qua, chứ không phải là sự khác biệt dần dần qua hàng triệu năm .
Nhóm các nghiên cứu khác thì nghi ngờ về mối liên hệ giữa phun trào Toba và một nút cổ chai di truyền. Bằng chứng là công cụ bằng đá cổ ở miền nam Ấn Độ đã được tìm thấy ở trên và dưới một lớp dày tro từ núi lửa Toba là tương tự nhau, tức là những đám mây bụi phun trào không quét sạch được cư dân địa phương này . Bằng chứng khảo cổ học bổ sung từ phía Nam và phía Bắc Ấn Độ cũng gợi ý rằng thiếu bằng chứng về tác động vụ phun trào vào cư dân địa phương, và các tác giả của nghiên cứu này kết luận "nhiều dạng sinh vật đã sống sót sau vụ siêu phun trào, trái với các nghiên cứu khác đã gợi ý về tuyệt chủng sinh vật và tắc nghẽn di truyền". Dẫu vậy bằng chứng từ các phân tích bào tử phấn hoa đã cho thấy có sự kéo dài tình trạng hủy diệt rừng ở Nam Á, và một số nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng phun trào Toba có thể buộc con người phải áp dụng các chiến lược thích ứng sinh tồn mới, điều có thể đã cho phép họ thay thế người Neanderthal và những "loài người cổ xưa khác" . Dẫu vậy ý kiến này đã bị thách thức bởi các bằng chứng về sự hiện diện của những người sống sót sau vụ phun trào, là người Neanderthal ở châu Âu đến 50 Ka BP, và Homo floresiensis ở Đông Nam Á đến 60 Ka BP .
Điều cân nhắc khác về lý thuyết phun trào Toba gây ra cổ chai di truyền bao gồm khó khăn trong việc đánh giá ảnh hưởng của vụ phun trào tới khí hậu toàn cầu cũng như khu vực, và thiếu bằng chứng thuyết phục cho sự phun trào báo trước nút cổ chai . Hơn nữa các phân tích di truyền các chuỗi Alu trên toàn bộ gen người đã chỉ ra rằng quy mô dân số hiệu dụng của con người vào hồi 1,2 Ma BP là ít hơn 26.000 cá thể. Giải thích có thể cho quy mô dân số thấp của tổ tiên loài người có thể bao gồm cổ chai dân số lặp đi lặp lại, hoặc do các sự kiện thay thế định kỳ từ các phân loài Homo cạnh tranh .

Cổ chai di truyền ở các loài thú

Một số bằng chứng thu được cho thấy cổ chai di truyền xảy ra ở các loài thú sau vụ phun trào Toba. Đó là quần thể tinh tinh Đông Phi (chimpanzee) , đười ươi Borneo (orangutan) , khỉ Rhesus trung Ấn Độ (Macaca mulatta) , báo cheetah, hổ , và sự phân dị các gen hạt nhân của khỉ đột ở đồng bằng phía đông với phía tây châu Phi . Những loài thú này đã phục hồi từ những con số cá thể rất thấp vào hồi 70-55 Ka BP.