Fosílie

Pochopenie minulých klimatických a ekosystémov



Prípadová štúdia z ložísk Mio-pliocénu v fosílnom parku na západnom pobreží v Južnej AfrikeAlexandra Guth, Michiganská technologická univerzita

Rekonštrukcia prostredia: Vedci kombinujú množstvo dôkazov, aby porozumeli minulosti Zeme. Fosílie (A) špecificky ukazujú, ktoré zvieratá žili v oblasti, zatiaľ čo sedimenty obklopujúce kosti poskytujú dôležité informácie o depozičnom prostredí. Kosti môžu byť ďalej analyzované na ich izotopové zloženie, ktoré je ovplyvnené rastlinami, ktoré zviera konzumovalo počas života (B). Okrem toho peľ uvoľnený z rastlín má tendenciu sa ľahko uchovávať v geologickom zázname, čo poskytuje podrobný záznam o minulých kvetinových spoločenstvách. Všetky tieto dôkazy možno kombinovať na vytvorenie podrobných rekonštrukcií prostredí, ktoré existovali pred miliónmi rokov (C).

Fosílny park na západnom pobreží: Mapa umiestnenia znázorňujúca nadmorskú výšku Afriky (1) s regiónom Južnej Afriky na západnom pobreží (2) sa rozšírila. Na mape 2 je južná oranžová hviezda umiestnením Kapského mesta a severná modrá hviezda predstavuje fosílny park na západnom pobreží. Oblasť podmnožiny 3 je rozšírená, aby zobrazovala súčasné podmienky hladiny mora (3A) a situáciu pred 5,2 miliónmi rokov, keď hladina mora bola ~ 30 metrov vyššia ako v súčasnosti (3B). V tom čase by sa miesto nachádzajúce sa v fosílnom parku nachádzalo blízko pobrežia, kde sa starobylá rieka Berg vpustila do Atlantiku. Základná mapa nadmorskej výšky v Afrike je zo súboru údajov CleanTOPO2 a satelitné snímky sú programom Landsat GeoCover spoločnosti NASA približne v roku 2000.

úvod

Ako vieme, aké to bolo pred starou Zemou, keď ľudia boli svedkami a zaznamenávali podmienky? Jedným z hlavných spôsobov, ako geovedci rozpadajú minulé podnebie a ekosystémy, je vykonanie podrobných štúdií o ložiskách, ktoré obsahujú zachované zvyšky starých rastlín a živočíchov.

Tvorba fosílií je vo všeobecnosti zriedkavým javom, takže nájdenie vreciek koncentrovaných alebo vysoko podrobných fosílnych zvyškov je vedecky cenné. Fosílne ložiská, ktoré sa vyznačujú rozmanitosťou alebo detailom, sa nazývajú Lagerstätten (nemčina pre „matelodu“ alebo „úložisko“), ktoré možno rozdeliť na dva hlavné typy.

Konservat-Lagerstätten sú miesta, kde sa nachádzajú jemné detaily organizmu konzervovanú (všimnite si podobnosť medzi nemeckým a kurzivizovaným anglickým ekvivalentom). Na takýchto miestach sa mäkké časti organizmu, ktoré sa bežne rozpadajú, zaznamenávajú ako dojmy alebo uhlíkové filmy. Známymi príkladmi takýchto nálezísk sú Burgessova bridlica v Britskej Kolumbii a Green River Formation v západných USA.

Druhou odrodou je Konzentrat-Lagerstätte, čo je miesto, kde je veľká sústredenie kostí. Aj keď tieto miesta neposkytujú veľa jemných detailov o organizmoch, môžu poskytnúť pohľad na staroveký ekosystém sústredením kostí zvierat, ktoré by sa za normálnych okolností šírili po širokom území. Medzi príklady patrí expozícia Morrison Formation Jurassic vo formácii Dinosaur National Memorial v Utahu a 15-16 miliónov rokov stará kôra Sharktooth Hill Bone Bed v Kalifornii.

Ďalší príklad Konzentrat-Lagerstätten sa nachádza v sedimentoch sedimentov formácie Langebaanweg v fosílnom parku na západnom pobreží v Južnej Afrike. Početné zvyšky v týchto fosílnych vrstvách poskytujú dôležité informácie o biologických spoločenstvách a klíme v regióne asi pred 5 miliónmi rokov.

Zisťovanie a vývoj stránok

Fosílie, pôvodne fosfátová baňa, boli objavené koncom 50. rokov 20. storočia. Fosfáty sa dnes ťažia hlavne na použitie v hnojivách a kyselina fosforečná sa bežne používa v nealkoholických nápojoch. Tieto horniny sa však pôvodne ťažili na použitie vo výzbroji druhej svetovej vojny.

Sedimentárne fosfátové depozity sa produkujú v oblastiach s vysokou morskou biologickou produktivitou, ako sú moderné kontinentálne šelfy. V dôsledku meniacich sa podmienok sú hladiny mora v tomto prípade regióny predtým pod vodou teraz vystavené na zemi a prístupné na účely detekcie a hĺbenia. Aktívna ťažba na fosílnom mieste sa skončila v roku 1993, keď sa baňa uzavrela, a oblasť, kde sa našli fosílie, bola vyčlenená ako národná pamiatka (čoskoro sa stane národným dedičstvom). Ťažobná činnosť mohla na tomto mieste zničiť 80% fosílií, v zbierkach Juhoafrického múzea Iziko sa však stále nachádza približne 1 milión exemplárov.

Fosfatická hornina s organickým materiálom: Centimetrová stupnica vedľa fosfatickej horniny. Červené zrná predstavujú fosfátovaný organický materiál. Foto Alexandra Guth.

Vytváranie Konzentrat-Lagerstätte

Je bežné si predstaviť proces fosílizácie ako jediné zviera, ktoré umiera a potom je pochované na mieste. Zatiaľ čo niektoré zvieratá uhynuli priamo na záplavových územiach, ktoré v minulosti existovali, mnohé zvyšky fosílneho parku na západnom pobreží sa časom presunuli a koncentrovali vodou na tomto jedinom mieste.

Pravdepodobne „predchodca“ rieky Berg sa vyprázdnil do Atlantiku v blízkosti dnešného parku, keď boli kosti ukladané. Príbrežná piesková tyč mohla zabrániť tomu, aby sa zvyšky vyplachovali do mora, a môže tiež súčasne pôsobiť tak, že zachytia zvyšky vyprané z oceánu.

Rekonštrukcia prostredia

Rôzne zvieratá a rastliny majú rôzne potreby biotopov; Identifikácia zvyškov na zistenie prítomnosti komunity teda poskytuje stopy o minulých ekosystémoch. Táto úloha sa stáva zložitejšou pre vklady, ktoré predstavujú úplne zaniknutú faunu (ako dinosauri formácie Jurassic Morrison), ale zvyšky fosílneho parku na západnom pobreží sú staré iba 5 miliónov rokov. Zatiaľ čo väčšina druhov zachovaných v parku vyhynie sama o sebe, úzko súvisí s modernými druhmi.

Pokiaľ ide o identifikáciu zvieraťa, nepotrebujete 100% kostí jednotlivca, aby ste ho mohli s istotou identifikovať. Toto je obzvlášť dôležité, pretože celé kostry sa bežne nenachádzajú, najmä v Konzentrat-Lagerstätten, kde boli kosti rozdelené a transportované. Často sa vyskytuje ďalšia konzervatívna odchýlka, pri ktorej sa počas prepravy ničia malé jemné kosti, zatiaľ čo hrubšie a robustnejšie kosti zostanú viac nedotknuté. Napriek týmto ťažkostiam sú paleontológovia celkom úspešní pri klasifikácii a identifikácii kostí, aby zobrazili starodávnu komunitu.

Zvieratá nájdené v fosílnom parku na západnom pobreží naznačujú, že oblasť sa nachádzala blízko hranice pevniny a oceánu, keďže morské živočíchy (napr. Tuleň, megalodon, 4 druhy tučniaka) a suchozemské cicavce (napr. Žirafa s krátkym hrdlom, aardvark) (hyena, hroch, mamut, antilopa, trojnohý kôň, šabľovo ozubená mačka). Dodatočná prítomnosť žiab (v ložiskách je zastúpených najmenej 8, možno až 12 druhov) naznačuje, že v nich musí stáť čerstvá voda. Zatiaľ čo mnoho druhov žabiek vykazuje určitú toleranciu k slanej vode, nie sú známe obojživelníky, ktoré obývajú čisto morské biotopy.

Kostná posteľ: Kostné lôžko in-situ zobrazené vo fosílnom parku na západnom pobreží v Južnej Afrike. Čeľusťová kosť v strede patrila Sivathere, zaniknutému príbuznému modernej žirafy. Reťazec označuje mriežku 1 meter.

Uhlíkové izotopy: Viac ako len randenie

Podrobnejšie pochopenie môže vyplývať z preskúmania uhlíkových izotopov konzervovaných v kostiach a zuboch. Zatiaľ čo väčšina ľudí je oboznámená s izotopom C-14 kvôli jeho použitiu pri datovaní nedávnych pozostatkov (pozri diskusiu nižšie), uhlík má dva izotopy, ktoré sú bežnejšie a nie rádioaktívne. C-12 je najbežnejší izotop uhlíka, pričom C-13 je sekundárny stabilný izotop. Pretože sú stabilné, v priebehu času sa nerozpadajú.

Rôzne skupiny rastlín majú odlišné pomery uhlíkových izotopov, ktoré sa dajú použiť ako odtlačky prstov pre paleodietu starovekých zvierat. Uhlík v rastlinách sa používa na vytváranie kostí a zubov, takže pomery v rastlinách sa odrážajú v kostiach zvierat, ktoré ich konzumujú.

Tieto rôzne izotopové podpisy sú spôsobené rôznymi metabolickými cestami, ktoré rastliny používajú. Mnohé trávy sú geologicky posledné a sú „C4 rastliny“, zatiaľ čo stromy a byliny sú „C3 rastliny“. Savannah sa skladá z rastlín C4 a C3, pretože existujú stromy, kríky a trávy. Na druhej strane lesom budú prevažne C3 rastliny. Flóra, ktorá je pre Južnú Afriku jedinečná, je fynbos (vyslovuje sa ako „jemný“), ktorý je tiež C3.

Zviera, ktoré konzumuje väčšinou rastliny C3, bude mať vo svojich kostiach iný pomer izotopov uhlíka ako zviera, ktoré väčšinou konzumuje rastliny C4. Analýza zvyškov kopytníkov (kopytníkov, hlodavcov, antilopy, žirafy, ošípaných atď.) Naznačuje, že v prostredí, ktoré bolo pred 5 miliónmi rokov v fosílnom parku, dominovali rastliny C3.

Peľ

Aj keď izotopová analýza naznačila, že v tejto oblasti neprevažovali trávy, nedokázala rozlíšiť stromy, kríky a fynbos. Našťastie peľ uvoľňovaný rastlinami je typicky hojný a dobre udržiavaný v sedimentoch.

Peľ, na rozdiel od pomerov izotopov, môže jedinečne identifikovať rodinu rastlín alebo rod, ktorý bol v oblasti prítomný. Doplnkovým bonusom je, že na rozdiel od väčších rastlín, ako sú drevo alebo listy, sa peľ ľahko prenáša vetrom a vodou, a preto sa šíri široko z miesta jednotlivého závodu. Aj keď možno nikdy nenájdete fosílny list z jednej rastliny, je oveľa pravdepodobnejšie, že nájdete peľ.

Analýza peľu vo fosílnom parku naznačuje, že oblasť pred 5 miliónmi rokov zahŕňala bylinné rastliny Ranunculaceae (napr. Blatouchy), Cyperaceae (ostrice, napríklad papyrus), Asteraceae (napr. Sedmokrásky) a Umbelliferae (napríklad petržlen, čipka kráľovnej Anny). Kombinácia týchto botanických rodín sa použila na odvodenie biotopu pobrežnej planiny. Prítomnosť rodín rastlín Asteraceae, Chenopodiaceae (goosefoot) a Amaranthaceae (amaranth) ďalej indikovala suchšie podmienky. Bol tiež prítomný peľ zo stromov rodiny Proteaceae (napr. Protea), ako aj rodov Podocarpus (napríklad žlté drevo) a Olea (napríklad olivové a železné drevo).

Prítomnosť všetkého tohto peľu poskytuje obraz rastlinných spoločenstiev, ktoré obývali túto oblasť v čase ukladania fosílnych sedimentov. Vedieť, ktoré rastliny a zvieratá boli v tom čase prítomné, sa potom môže použiť na označenie minulého prostredia.

Goldilocks Vek Zoznamka Problém

Uhlík-14 je (prirodzene sa vyskytujúci) rádioaktívny izotop uhlíka, ktorý je najpopulárnejšou metódou na datovanie starých materiálov. Veľká väčšina horninového záznamu sa však s touto technikou nedá datovať, pretože polčas rozpadu C-14 je príliš krátky a vyžaduje si to aj prítomnosť pôvodného organického materiálu (zatiaľ čo fosílizácia nahrádza pôvodný organický materiál za viac trvanlivé minerály). V čase, keď je organický materiál starý 75 000 rokov, zostáva vo vzorke príliš málo C-14 na spoľahlivé meranie.

Rádioaktívny izotop draslíka (K-40) má oveľa dlhší polčas ako C-14 a vyskytuje sa v vyvrelých horninách. Techniky týkajúce sa draslíka a jeho dcérskeho produktu Argon sa teda dajú použiť na materiály, ktoré boli vypuknuté zo sopiek pred viac ako 100 000 rokmi (pretože polčas rozpadu je taký dlhý, túto techniku ​​nemožno použiť na veľmi mladý materiál, pretože taká malá frakcia pôvodného draslíka sa rozpadla, že ho nemôžeme presne zmerať).

Bohužiaľ, Južná Afrika nebola sopečne aktívna v čase, keď tieto zvieratá uhynuli, takže sedimenty nemôžu byť datované priamo pomocou draselno-argónu. Na určenie veku sedimentov sa však môžu použiť iné metódy zahŕňajúce vzorce zmeny hladiny morí, paleomagnetizmu a fosílií.

Prepojenie veku s fosíliami

Biostratigrafia je metóda usporiadania záznamu horniny na základe prítomnosti zvieraťa a je užitočnou alternatívou na zabezpečenie vekových obmedzení fosílnych hornín. Zdá sa, že niektoré živočíšne línie, ako sú ošípané a slony, sa rýchlo menia (v geologickom zmysle), takže identifikácia rôznych skupín týchto zvierat môže pomôcť určiť vek hornín.

Kľúče od fosílnych zvierat obmedzujú vek sedimentov fosílneho parku na západnom pobreží pred asi 5,2 miliónmi rokov. Koza (ošípané) Nyanzachoerus kanamensis bola nájdená vo východnej Afrike aj vo fosílnom parku. V dôsledku aktívnej lúpeže a súvisiacej sopečnej aktivity vo východnej Afrike bol s týmto druhom spojený absolútny vek (ako v tom, môžeme do neho vložiť číslo). Pretože rodina ošípaných prešla geologicky rýchlymi zmenami, zistením tohto druhu môžeme povedať o veku sedimentov v parku.

Viac informácií
1 Analýzy izotopov a história kukurice: Robert H. Tykot, kapitola 10: J. E. Staller, R. H. Tykot a B. F. Benz (redaktori), História kukurice: multidisciplinárne prístupy k praveku, lingvistike, biogeografii, domestikácii a vývoju kukurice, Academic Press (Elsevier), 2009.
2 Rocks and Minerals of Cape Town: J.S. Compton, Double Storey Books, Kapské Mesto, Južná Afrika, 112 strán, 2004.
3 CleanTOPO2: Upravené údaje o svetovej nadmorskej výške SRTM30 Plus: Tom Patterson, US National Park Service, 2013.
4 Regionálny a globálny kontext paleontologickej lokality Late Cenozoic Langebaanweg (LBW): západné pobrežie Južnej Afriky: David L. Roberts a kol., Earth-Science Reviews, Zväzok 106: 3-4, strany 191-214, 2011.
5 Životné prostredie 5 - 5,2 milióna rokov: článok na webovej stránke fosílneho parku na západnom pobreží, naposledy prístupný v decembri 2016.

Závery

Rekonštrukcia prostredia môže často viesť až k jemným detailom: izotopové podpisy v kostiach, vzory mikrovrstvy na zuboch (škrabance na povrchu zubov môžu naznačovať, či zviera bolo grazerom, prehliadačom alebo kombinovaným krmivom), peľové zhromaždenia v sedimentoch , atď…

V súčasnosti park existuje v stredomorskom podnebí a nachádza sa viac ako 10 km od oceánu. Všetky tieto kombinované dôkazy však naznačujú, že pred piatimi miliónmi rokov by fosílny park na západnom pobreží existoval v subtropickom lese, v blízkosti ktorého sa do Atlantiku vyprázdňovala starobylá rieka Berg.

Zvyšky zvierat kombinované s mikroskopickými a chemickými stopami vytvárajú súdržný obraz o tom, ako vyzerala táto oblasť, aj keď tu nebol žiadny človek, ktorý by bol priamo svedkom. Týmto spôsobom geovedci odhaľujú tajomstvá minulého života a podnebia Zeme.

Dnes je možné tieto fosílie vidieť na mieste (na mieste) v fosílnom parku na západnom pobreží v Južnej Afrike a hostia môžu dokonca pomôcť dokončiť environmentálny obraz hľadaním mikrofosíl vtákov, žiab, hlodavcov a mnohých ďalších malých zvierat na site. obrazoviek. Všetky nálezy sa pridávajú do zbierok múzeí - návštevníci nesmú zbierať exempláre pre seba, pretože všetky fosílie sú chránené v Južnej Afrike.

Fosílny park na západnom pobreží

Fosílny park West Coast sa nachádza 120 km severne od Kapského mesta v Južnej Afrike. Ich webová stránka obsahuje bohaté informácie o webe, podrobné pokyny, informácie o výskume, ktorý sa tam deje, ako aj vzdelávacie animácie a pracovné hárky. Autorka tohto článku by chcela poďakovať manažérovi fosílneho parku Pippa Haarhoff za pomoc a povzbudenie.

O autorovi

Alex Guth je absolventkou doktorandského štúdia na Michiganskej technologickej univerzite a jej dizertačná práca sa zamerala na sopečný vývoj kenskej trhliny. Niekoľkokrát navštívila juhoafrický región Western Cape, aby pomohla svojmu poradcovi s poľným táborom geológie a jej výskum v Afrike viedol k niekoľkým príležitostiam na spoluprácu s National Geographic. Jej webovú stránku nájdete na adrese: //www.geo.mtu.edu/~alguth/