Fosilijas

Izpratne par pagātnes klimatu un ekosistēmām



Gadījuma izpēte no Mio-Pliocēna atradnēm Rietumkrasta fosiliju parkā, DienvidāfrikāAleksandra Guta, Mičiganas Tehnoloģiskā universitāte

Vides rekonstrukcija: Zinātnieki apvieno daudzus pierādījumus, lai izprastu Zemes pagātni. Fosilijas (A) konkrēti parāda, kuri dzīvnieki dzīvoja reģionā, savukārt nogulumi, kas apņem kaulus, sniedz svarīgus norādījumus par nogulsnēšanās vidi. Kaulus var tālāk analizēt, lai noteiktu to izotopu sastāvu, un to ietekmē tas, kādus augus dzīvnieks patērēja dzīvs (B). Turklāt no augiem atbrīvotajiem ziedputekšņiem ir tendence viegli saglabāties ģeoloģiskajā ierakstā, nodrošinot detalizētu iepriekšējo ziedu kopienu reģistru. Visus šos pierādījumu kopumus var apvienot, lai izveidotu detalizētas vides rekonstrukcijas, kas pastāvēja pirms miljoniem gadu (C).

Rietumkrasta fosilijas parks: Izvērsta atrašanās vietas karte, kurā parādīts Āfrikas pacēlums (1) ar Dienvidāfrikas Rietumkāpas reģionu (2). 2. kartē dienvidu oranžā zvaigzne ir Keiptaunas atrašanās vieta, bet ziemeļu zilā zvaigzne apzīmē Rietumu krasta fosiliju parku. Apakšgrupas 3 reģions ir paplašināts, lai parādītu pašreizējos jūras līmeņa apstākļus (3A) un situāciju pirms 5,2 miljoniem gadu, kad jūras līmenis bija ~ 30 metrus augstāks nekā pašreizējais (3B). Tajā laikā fosilā parka aizņemtā teritorija būtu atradusies netālu no krasta, kur senā Berga upe iztukšojās Atlantijas okeānā. Āfrikas pamatkartes pacēlums ir no CleanTOPO2 datu kopas, un satelītattēli ir NASA Landsat GeoCover cirka 2000.

Ievads

Kā mēs zinām, kāda bija senā Zeme, pirms cilvēki bija apkārt, lai liecinātu un reģistrētu apstākļus? Viens no galvenajiem veidiem, kā ģeo zinātnieki atšķetina pagātnes klimatu un ekosistēmas, ir detalizēti pētījumi par atradnēm, kas satur seno augu un dzīvnieku saglabātas paliekas.

Fosiliju veidošanās parasti ir reti sastopama parādība, tāpēc koncentrētu vai ļoti detalizētu fosiliju atlieku kabatu atrašana ir zinātniski vērtīga. Fosilās atradnes, kas ievērojamas to daudzveidības vai detaļu dēļ, sauc par Lagerstätten (vāciski - par “pamatlodzi” vai “glabāšanas vietu”), kuras var iedalīt divos galvenajos veidos.

Konservat-Lagerstätten ir vietas, kur ir sīka informācija par organismu konservēts (ņemiet vērā līdzību starp vācu un kursīvā angļu valodas ekvivalentu). Šādās vietās organisma mīkstas daļas, kas parasti sabrūk, reģistrē kā iespiedumus vai oglekļa plēves. Plaši pazīstami šādu atradņu piemēri ir Burgess slāneklis Britu Kolumbijā un Zaļās upes veidojums ASV rietumos.

Otrā šķirne ir Konzentrat-Lagerstätte, kas ir vieta, kur ir liela koncentrēšanās no kauliem. Kaut arī šīs vietas nesniedz daudz precīzu informāciju par organismiem, tās var sniegt ieskatu senajā ekosistēmā, koncentrējot dzīvnieku kaulus, kas parasti būtu izplatīti plašā apgabalā. Kā piemērus var minēt Jurassic vecuma Morisona formācijas ekspozīcijas pie Dinozauru nacionālā pieminekļa Jūtā un 15-16 miljonus gadu veco Sharktooth Hill kaulu gultu Kalifornijā.

Vēl viens Konzentrat-Lagerstätten piemērs ir atrodams Langebaanweg formācijas nogulumu atradnēs Dienvidāfrikas rietumu krasta fosilā parkā. Daudzās atliekas šajās fosilijainajās gultnēs sniedz svarīgu informāciju par reģiona bioloģiskajām kopienām un klimatu pirms apmēram 5 miljoniem gadu.

Vietņu atklāšana un izstrāde

Sākotnēji fosfātu raktuves, fosilijas tika atklātas pagājušā gadsimta 50. gadu beigās. Fosfātus mūsdienās iegūst galvenokārt to izmantošanai mēslošanas līdzekļos, un fosforskābi parasti izmanto bezalkoholiskos dzērienos. Tomēr šīs klintis sākotnēji tika mīnētas izmantošanai Otrā pasaules kara bruņojumā.

Nosēdumu fosfātu nogulsnes tiek ražotas reģionos ar augstu jūras bioloģisko produktivitāti, piemēram, mūsdienu kontinentālajos šelfos. Mainīgo apstākļu dēļ, jūras līmenis, šajā gadījumā reģioni, kas iepriekš atradās zem ūdens, tagad ir pakļauti sauszemei ​​un ir pieejami atklāšanai un rakšanai. Aktīvā izrakteņu ieguve fosilijas vietā tika pārtraukta 1993. gadā, kad raktuves tika slēgtas, un teritorija, kur tika atklātas fosilijas, tika rezervēta kā Nacionālais piemineklis (drīz kļūs par Nacionālā mantojuma vietu). Iespējams, ka kalnrūpniecības darbība ir iznīcinājusi 80% fosiliju šajā vietā, bet joprojām ir aptuveni 1 miljons eksemplāru, kas saglabājušies Dienvidāfrikas Iziko muzejā.

Fosfātiskais iezis ar organisko materiālu: Blakus fosfātiskajiem iežiem - centimetrs. Sarkanie graudi pārstāv fosfatizēto organisko materiālu. Aleksandras Gutas foto.

Konzentrat-Lagerstätte veidošana

Ir ierasts vizualizēt pārakmeņošanās procesu tā, kā viens dzīvnieks mirst un pēc tam tiek apbedīts vietā. Kaut arī daži dzīvnieki nomira tieši palienēs, kas agrāk atradās šajā vietā, daudzas Rietumkrasta fosilā parka atliekas laika gaitā pārvietoja un koncentrēja ūdens šajā vienīgajā vietā.

Droši vien Berga upes “sencis” tika iztukšots Atlantijas okeānā netālu no mūsdienu parka, kad bija novietoti kauli. Jūras smilšu josla, iespējams, neļāva paliekas izskalot jūrā, un, iespējams, vienlaikus rīkojās, lai notvertu paliekas, kas ieskalotas no okeāna.

Vides rekonstrukcija

Dažādiem dzīvniekiem un augiem ir atšķirīgas biotopu vajadzības; tādējādi, identificējot atliekas, lai noteiktu, kāda ir kopiena, sniedz norādes par pagātnes ekosistēmām. Šis uzdevums kļūst grūtāks noguldījumiem, kas pārstāv pilnībā izmirstošu faunu (piemēram, Jurassic Morrison formācijas dinozauri), bet rietumkrasta fosilā parka atliekas ir “tikai” 5 miljoni gadu vecas. Lai arī lielākā daļa no parkā saglabātajām sugām pašas izmirusi, tās ir cieši saistītas ar mūsdienu sugām.

Dzīvnieka identificēšanai jums nav nepieciešami 100% indivīda kauli, lai to pārliecinoši identificētu. Tas ir īpaši svarīgi, jo veseli skeleti nav bieži sastopami, īpaši Konzentrat-Lagerstätten, kur kauli ir sadalīti un pārvadāti. Bieži vien pastāv papildu saglabāšanas aizspriedumi, kad pārvadāšanas laikā tiek iznīcināti mazi delikāti kauli, savukārt biezāki un izturīgāki kauli, visticamāk, paliks neskarti. Neskatoties uz šīm grūtībām, paleontologi diezgan veiksmīgi klasificē un identificē kaulus, lai attēlotu seno kopienu.

Rietumkrasta fosilijas parkā atrastie dzīvnieki norāda, ka teritorija atradās pie sauszemes un okeāna robežas, ņemot vērā, ka gan jūras dzīvnieki (piemēram, roņi, megalodonu haizivs, 4 pingvīnu sugas), gan sauszemes zīdītāji (piemēram, īsa kakla kakla žirafe, aardvark , hiēna, nīlzirgs, mamuts, antilope, zirgs trīspirksts, zobenzobs kaķis) tika atrasti kopā. Varžu papildu klātbūtne (vismaz 8, varbūt pat 12 sugu klātbūtne nogulumos) norāda, ka jābūt stāvošam saldūdenim. Lai arī daudzām varžu sugām piemīt zināma tolerance pret sālsūdeni, nav zināmi abinieki, kas apdzīvo tīri jūras biotopus.

Kaulu gulta: In situ kaulu gulta, kas tiek demonstrēta Rietumkrasta fosilā parkā, Dienvidāfrikā. Žokļa kauls centrā piederēja Sivatherei - mūsdienu žirafes izmirušajam radiniekam. Virkne iezīmē 1 metru režģi.

Oglekļa izotopi: vairāk nekā tikai iepazīšanās ar vecumu

Sīkāku izpratni var iegūt, izpētot kaulos un zobos saglabātos oglekļa izotopus. Lai gan vairums cilvēku ir pazīstami ar C-14 izotopu, ņemot vērā tā izmantošanu neseno atlieku meklējumos (skatīt diskusiju zemāk), ogleklim ir divi izotopi, kas ir biežāk sastopami, nevis radioaktīvi. C-12 ir visizplatītākais oglekļa izotops, C-13 ir sekundārs stabils izotops. Tā kā tie ir stabili, tie laika gaitā nesamazinās.

Dažādām augu grupām ir atšķirīgas oglekļa izotopu attiecības, kuras var izmantot kā pirkstu nospiedumu seno dzīvnieku paleodietai. Augos esošo oglekli izmanto kaulu un zobu veidošanai tā, lai attiecība augos tiktu atspoguļota to dzīvnieku kaulos, kuri tos patērē.

Šīs dažādās izotopu pazīmes ir saistītas ar atšķirīgajiem metabolisma ceļiem, ko izmanto augi. Daudzas zāles ir ģeoloģiski nesenas un ir “C4 augi”, savukārt koki un zālaugu augi ir “C3 augi”. Savannu veido gan C4, gan C3 augi, jo tur ir koki, krūmi un zāles. Mežā, no otras puses, pārsvarā būs C3 augi. Dienvidāfrikā unikāla flora ir fynbos (izrunā: “smalkā roze”), kas ir arī C3.

Dzīvniekam, kurš patērē galvenokārt C3 augus, kaulos būs atšķirīga oglekļa izotopu attiecība nekā dzīvniekam, kurš galvenokārt ēd C4 augus. Analīze, kas veikta par nagaiņu (nagu nagu zīdītāju: nīlzirgu, antilopes, žirafes, cūku utt.) Paliekām, liecina, ka fosiliju parkā pirms 5 miljoniem gadu esošajā vidē dominēja C3 augi.

Ziedputekšņi

Kaut arī izotopu analīze parādīja, ka reģionā nedomājās zāles, tajā nevarēja atšķirt kokus, krūmus un fynbos. Par laimi augu ziedputekšņi parasti ir bagātīgi un labi saglabājas nogulumos.

Ziedputekšņi atšķirībā no izotopu attiecībām var unikāli identificēt augu ģimeni vai ģints, kas atradās šajā apgabalā. Kā papildu bonuss, atšķirībā no lielākiem augu paliekiem, piemēram, koka vai lapām, ziedputekšņus viegli pārnēsā vējš un ūdens, un tādējādi tie tiek plaši izplatīti no atsevišķas auga atrašanās vietas. Lai gan jūs, iespējams, nekad neatradīsit fosilijas lapu no atsevišķa auga, daudz lielāka iespēja atrast tās ziedputekšņus.

Ziedputekšņu analīze Fosiliju parkā norāda, ka reģionā pirms 5 miljoniem gadu tika iekļautas zālaugu Ranunculaceae (piemēram, tauriņi), Cyperaceae (grīšļi, piemēram, papirusi), Asteraceae (piemēram, margrietiņas) un Umbelliferae (piemēram, pētersīļi, Karalienes Annas mežģīnes) augu ģimenes. Šo botānisko ģimeņu kombinācija tika izmantota, lai secinātu piekrastes līdzeno dzīvotni. Asteraceae, Chenopodiaceae (goosefoot) un Amaranthaceae (amarants) augu ģimeņu klātbūtne papildus norādīja uz sausākiem apstākļiem. Bija arī ziedputekšņi no Proteaceae dzimtas koku (piemēram, protea), kā arī Podocarpus (piemēram, dzeltenkoks) un Olea (piemēram, olīvu un dzelzs koks) ģintīm.

Visu šo ziedputekšņu klātbūtne sniedz priekšstatu par augu sabiedrībām, kas apdzīvoja šo reģionu laikā, kad tika noglabāti fosilie nogulumi. Zinot, kādi augi un dzīvnieki tajā laikā atradās, var izmantot, lai norādītu uz pagātnes vidi.

Goldilocks vecuma iepazīšanās problēma

Ogleklis-14 ir (dabiski sastopams) oglekļa radioaktīvais izotops, kas ir vispopulārāk zināmā metode veco materiālu iepazīšanai. Tomēr lielāko daļu ierakstu nevar datēt ar šo paņēmienu, jo C-14 pussabrukšanas periods ir pārāk īss, un tam arī ir nepieciešams oriģinālais organiskais materiāls (turpretī fosilizācija oriģinālo organisko materiālu aizstāj ar vairāk izturīgi minerāli). Tā kā organiskajam materiālam ir 75 000 gadu vecs, paraugā ir palicis pārāk maz C-14, lai to varētu droši izmērīt.

Kālija (K-40) radioaktīvajam izotopam ir daudz ilgāks pussabrukšanas periods nekā C-14, un tas atrodas nezināmajos iežos. Tādējādi paņēmienus, kas saistīti ar kāliju un tā meitas produktu Argonu, var izmantot materiāliem, kas tika izlaisti no vulkāniem pirms vairāk nekā 100 000 gadiem (tā kā pussabrukšanas periods ir tik ilgs, šo paņēmienu nevar izmantot ļoti jauniem materiāliem, jo ​​tik maza frakcija sākotnējā kālija ir samazinājies, ka mēs to nevaram precīzi izmērīt).

Diemžēl šo dzīvnieku nāves laikā Dienvidāfrika nebija vulkāniski aktīva, tāpēc nogulumus nevar datēt tieši, izmantojot kālija argonu. Tomēr, lai norādītu nogulumu vecumu, var izmantot citas metodes, kas saistītas ar jūras līmeņa maiņu, paleomagnētismu un fosilijām.

Vecumu sasaiste ar fosilijām

Biostratigrāfija ir paņēmienu pasūtīšana, pamatojoties uz klātesošajiem dzīvniekiem, un tā ir noderīga alternatīva, lai nodrošinātu vecuma ierobežojumus fosilās klintis. Šķiet, ka dažas dzīvnieku līnijas, piemēram, cūkas un ziloņi, strauji mainās (ģeoloģiskā nozīmē), tāpēc dažādu šo dzīvnieku kopu identificēšana var palīdzēt precīzi noteikt iežu vecumu.

Fosilo dzīvnieku norādes ierobežo Rietumkrasta fosilā parka nogulumu vecumu līdz aptuveni 5,2 miljoniem gadu atpakaļ. Cukurais (cūka) Nyanzachoerus kanamensis ir atrasts gan Austrumāfrikā, gan fosilā parkā. Sakarā ar aktīvo riftingu un ar to saistītajām vulkāniskajām aktivitātēm Austrumāfrikā ar šo sugu ir saistīts absolūtais vecuma datums (tāpat kā šajā gadījumā mēs varam to norādīt). Tā kā cūku saimē notika ģeoloģiski straujas pārmaiņas, atklājot šo sugu, mēs kaut ko varam pateikt par nogulumu vecumu parkā.

Vairāk informācijas
1 izotopu analīze un kukurūzas vēstures: Roberts H. Tikots, 10. nodaļa: J. E. Štāllers, R. H. Tikots un B. F. Benzs (redaktori), Kukurūzas vēstures: daudzdisciplināras pieejas kukurūzas aizvēsturei, valodniecībai, bioģeogrāfijai, mājsaimniecībai un evolūcijai, Academic Press (Elsevier), 2009.
2 Keiptaunas ieži un minerāli: J.S. Compton, Divstāvu grāmatas, Keiptauna, Dienvidāfrika, 112 lpp., 2004.
3 CleanTOPO2: Rediģētie SRTM30 Plus dati par pasaules līmeņa paaugstināšanos: Toms Pattersons, ASV Nacionālā parka dienests, 2013. gads.
4 Vēlā cenozoiskā Langebaanweg (LBW) paleontoloģiskās vietas reģionālais un globālais konteksts: Dienvidāfrikas rietumu krasts: David L. Roberts, et al., Earth-Science Reviews, 106. sējums: 3-4, 191.-214. Lpp., 2011. gads.
5 Vide pirms 5–5,2 miljoniem gadu: raksts Rietumkrasta fosilā parka vietnē, pēdējoreiz pieejams 2016. gada decembrī.

Secinājumi

Vides atjaunošanā bieži vien var nonākt līdz smalkām detaļām: izotopu paraksti kaulos, mikrodrēbju raksti uz zobiem (skrambas uz zobu virsmas var norādīt, vai dzīvnieks bija ganītājs, pārlūks vai jaukta režīma padevējs), ziedputekšņu agregāti nogulumos utt.

Šobrīd parks atrodas Vidusjūras klimatā un atrodas vairāk nekā 10 km attālumā no okeāna. Visi apvienotie pierādījumi tomēr norāda, ka pirms pieciem miljoniem gadu Rietumkrasta fosilijas parks būtu pastāvējis subtropu mežā netālu no vietas, kur senā Bergas upe iztukšota Atlantijas okeānā.

Dzīvnieku atliekas apvienojumā ar mikroskopiskiem un ķīmiskiem pavedieniem rada saskanīgu priekšstatu par to, kāds bija šis reģions, kaut arī neviena cilvēka tuvumā nebija, lai to tieši redzētu. Tieši šādā veidā ģeozinātnieki atklāj Zemes pagātnes dzīves un klimata noslēpumus.

Mūsdienās šīs fosilijas var redzēt uz vietas (vietā) Rietumkrasta fosiliju parkā Dienvidāfrikā, un viesi pat var palīdzēt pabeigt vides ainu, meklējot putās mikrofilās putnus, vardes, grauzējus un daudzus citus mazus dzīvniekus uz sieta ekrāni. Visi atradumi tiek pievienoti muzeja kolekcijām - apmeklētājiem nav atļauts kolekcionēt eksemplārus sev, jo visas fosilijas Dienvidāfrikas štatā aizsargā valsts.

Rietumkrasta fosilijas parks

Rietumkrasta fosilijas parks atrodas 120 km uz ziemeļiem no Keiptaunas Dienvidāfrikā. Viņu vietne satur bagātīgu informāciju par vietni, detalizētus norādījumus, informāciju par tur notiekošajiem pētījumiem, kā arī izglītojošas animācijas un darblapas. Šī raksta autore vēlas pateikties Fosilā parka vadītājam Pippa Haarhoff par viņas palīdzību un iedrošinājumu.

Par autoru

Alex Guth ir doktora grāds Mičiganas Tehnoloģiskajā universitātē, un viņas disertācijā galvenā uzmanība tika pievērsta Kenijas Rifta vulkāniskajai evolūcijai. Viņa vairākas reizes ir apmeklējusi Dienvidāfrikas Rietumkāpas reģionu, lai palīdzētu savam konsultantam ģeoloģijas lauka nometnē, un viņas pētījumi Āfrikā ir radījuši vairākas iespējas strādāt ar National Geographic. Viņas vietni var apskatīt: //www.geo.mtu.edu/~alguth/