Fossiilid

Varasema kliima ja ökosüsteemide mõistmine

Varasema kliima ja ökosüsteemide mõistmine



Juhtumianalüüs Lõuna-Aafrika lääneranniku fossiilipargis asuvate Mio-pliotseeni maardlate kohtaautor: Alexandra Guth, Michigani tehnikaülikool

Keskkonna rekonstrueerimine: Teadlased ühendasid Maa mineviku mõistmiseks palju tõendeid. Fossiilid (A) näitavad konkreetselt, millised loomad piirkonnas elasid, samal ajal kui luid ümbritsevad setted pakuvad olulisi vihjeid sadestumiskeskkonna kohta. Luid saab täiendavalt analüüsida nende isotoopsete koostiste osas, mida mõjutab see, milliseid taimi loom elusana tarbis (B). Lisaks kipub taimedest eralduv õietolm olema geoloogilises registris hõlpsasti säiliv, andes üksikasjaliku ülevaate varasematest lillekooslustest. Kõiki neid tõendeid saab kombineerida, et luua miljoneid aastaid tagasi eksisteerinud keskkondade üksikasjalikke rekonstruktsioone (C).

Lääneranniku fossiilide park: Laiendatud on asukohakaart, mis näitab Aafrika kõrgust (1) Lõuna-Aafrika Lääne-Kapimaa regiooniga (2). Kaardil 2 on lõunaosa oranž täht Kaplinn ja põhjapoolne sinine täht tähistab lääneranniku fossiilide parki. Alamrühma 3 laiendatakse, et näidata praeguseid merepinna tingimusi (3A) ja olukorda 5,2 miljonit aastat tagasi, kui merepinna tase oli praegusest ~ 30 meetrit kõrgem (3B). Sel ajal oleks fossiilipargi poolt hõivatud koht olnud ranniku lähedal, kus iidne Bergi jõgi tühjenes Atlandi ookeani. Aafrika aluskaardi kõrgus on pärit CleanTOPO2 andmekogumist ja satelliidipiltideks on NASA Landsat GeoCover umbes 2000.

Sissejuhatus

Kuidas me teame, milline oli iidne maa enne seda, kui inimesed olid ümbruses, et olusid tunnistada ja registreerida? Üks peamisi viise, kuidas geoteadlased mineviku kliimat ja ökosüsteeme lahti harutada, on üksikasjalike uuringute tegemine leiukohtadest, mis sisaldavad iidsete taimede ja loomade säilinud säilmeid.

Fossiilide moodustumine on üldiselt harv nähtus, seetõttu on kontsentreeritud või väga detailsete fossiilijäänuste taskute leidmine teaduslikult väärtuslik. Nende mitmekesisuse või detaili poolest silmapaistvaid fossiilseid leiukohti nimetatakse Lagerstätteniks (saksa keeles "motherlode" või "ladustamiskoht"), mida saab jagada kahte peamist tüüpi.

Konservat-Lagerstätten on kohad, kus on organismi peeneid detaile konserveeritud (pange tähele sarnasust saksa ja kaldkirjas ingliskeelse vaste vahel). Sellistes kohtades registreeritakse organismi pehmed osad, mis tavaliselt lagunevad, jäljendite või süsinikukiledena. Selliste maardlate tuntud näited on Burgess Shale Briti Columbias ja Green River Formation USA lääneosas.

Teine sort on Konzentrat-Lagerstätte, mis on koht, kus on suur kontsentratsioon luudest. Kuigi need kohad ei anna organismide kohta palju üksikasju, võivad nad anda ülevaate põlisest ökosüsteemist, koondades loomade luid, mis tavaliselt levivad laiale alale. Näited hõlmavad Jurassic-vanuse Morrisoni kihistu kokkupuuteid Utahis asuva Dinosauruse riikliku monumendi juures ja 15–16 miljonit aastat vana Sharktooth Hilli luuvoodiga Californias.

Veel üks näide Konzentrat-Lagerstättenist on Lõuna-Aafrika lääneranniku fossiilipargis asuva Langebaanwegi kihistu settemaardlates. Neis fossiilsetes kihtides asuvad arvukad säilmed annavad olulist teavet piirkonna bioloogiliste koosluste ja kliima kohta umbes 5 miljonit aastat tagasi.

Saidi avastamine ja arendamine

Algselt fosfaatkaevanduses leiti fossiilid 1950ndate lõpus. Fosfaate kaevandatakse tänapäeval peamiselt nende kasutamiseks väetistes ja karastusjookides kasutatakse tavaliselt fosforhapet. Need kivid kaevandati algselt kasutamiseks II maailmasõja relvastuses.

Setete fosfaatide ladestusi toodetakse mere bioloogiliselt kõrge tootlikkusega piirkondades, näiteks tänapäevastel mandrilavadel. Muutunud tingimuste ja merepinna tõttu on sel juhul varem veealused piirkonnad nüüd maismaal avatud ja avastamiseks ning kaevamiseks juurdepääsetavad. Aktiivne kaevandamine fossiilsetes paikades katkes 1993. aastal, kui kaevandus suleti, ja piirkond, kus fossiilid olid avastatud, seati riikliku monumendina (peagi saab see muinsuskaitsealaks). Kaevandamine võib hävitada 80% selle paiga fossiilidest, kuid Iziko Lõuna-Aafrika muuseumi kogudes on säilinud hinnanguliselt 1 miljon eksemplari.

Orgaanilise materjaliga fosfaatkivim: Fosfaatkivimi kõrval sentimeetri skaala. Punased terad tähistavad fosfaaditud orgaanilist materjali. Foto autor: Alexandra Guth.

Konzentrat-Lagerstätte moodustamine

Tavaline on kivistumise protsess visualiseerida nii, et üks loom sureb ja seejärel maetakse oma kohale. Kui mõned loomad hukkusid otse leiukohtadel, mis varem selle koha peal olid, siis paljud lääneranniku fossiilipargi jäänused liikusid ja kontsentreerusid aja jooksul selles ühes kohas veega.

Tõenäoliselt tühjendati Bergi jõe "esivanem" Atlandi ookeani tänapäeva pargi lähedal, kui luud olid hoiule võetud. Võimalik, et avamere liivabaar hoidis jäänuseid merre uhtumisest ja võis samal ajal toimida ka ookeanist pestud jäänuste püüdmiseks.

Keskkonna rekonstrueerimine

Erinevatel loomadel ja taimedel on elupaikade vajadused erinevad; seega annab kogukonna olemasolu kindlakstegemiseks vajalike jäänuste kindlakstegemine vihjeid varasemate ökosüsteemide kohta. See ülesanne muutub keerukamaks selliste lademete jaoks, mis esindavad täielikult väljasurnud loomastikku (nagu Jurassic Morrisoni kihistu dinosaurused), kuid lääneranniku fossiilipargi jäänused on "kõigest" 5 miljonit aastat vanad. Kui enamik pargis säilitatavaid liike on ise väljasurnud, on need tihedalt seotud tänapäevaste liikidega.

Looma tuvastamiseks ei pea te looma enesekindlaks tuvastamiseks 100% inimese luid. See on eriti oluline, kuna terveid luustikke ei kohta tavaliselt, eriti Konzentrat-Lagerstättenis, kus luud on deartikteeritud ja transporditud. Sageli esinevad täiendavad säilitusprobleemid, kus väikesed õrnad luud hävivad veo ajal, samas kui paksemad ja tugevamad luud jäävad tõenäoliselt terveks. Nendele raskustele vaatamata on paleontoloogid luude klassifitseerimisel ja tuvastamisel üsna edukad iidse kogukonna kujutamiseks.

Lääneranniku fossiilpargist leitud loomad viitavad sellele, et piirkond asus maa ja ookeani piiri lähedal, arvestades, et nii mereloomad (nt hüljes, megalodoonhai, 4 pingviiniliiki) kui ka maismaaimetajad (nt lühikaelaga kaelkirjak, aardvark , hüään, jõehobu, mammut, antiloob, kolme varbaga hobune, sabahambuline kass) leiti koos. Konnade täiendav esinemine (vähemalt 8, võib-olla koguni 12 liiki on leiukohtades esindatud) näitab, et magevesi peab olema seisnud. Kuigi paljud konnaliigid taluvad soolast vett teatud määral, pole teada kahepaikseid, kes elaksid puhtalt merelistes elupaikades.

Kondivoodi: In situ paiknev luupõhi on välja pandud Lõuna-Aafrika lääneranniku fossiilipargis. Keskel asuv lõualuu kuulus Sivatherele, tänapäevase kaelkirjaku väljasurnud sugulasele. Nöör tähistab 1-meetrist võrku.

Süsiniku isotoobid: rohkem kui lihtsalt vanuse tutvumine

Üksikasjalikum mõistmine võib saada luudes ja hammastes säilinud süsiniku isotoopide uurimisel. Kuigi enamik inimesi tunnevad C-14 isotoopi tänu selle hiljutiste jäänuste tutvustamisel kasutamisele (vt arutelu allpool), on süsinikul kaks levinumat isotoopi, mis pole radioaktiivsed. C-12 on süsiniku kõige tavalisem isotoop, C-13 on sekundaarne stabiilne isotoop. Kuna need on stabiilsed, ei lagune nad aja jooksul.

Erinevatel taimerühmadel on erinevad süsiniku isotoopide suhted, mida saab kasutada iidsete loomade paleodieedi sõrmejälgedena. Taimedes sisalduvat süsinikku kasutatakse luude ja hammaste ehitamiseks selliselt, et taimede suhted peegelduvad neid söövate loomade luudes.

Need erinevad isotoopsed signatuurid on tingitud taimede kasutatavatest erinevatest metaboolsetest radadest. Paljud heintaimed on geoloogiliselt hiljutised ja on “C4 taimed”, puud ja rohttaimed on “C3 taimed”. Savann koosneb nii C4 kui C3 taimedest, kuna seal on puid, põõsaid ja rohtu. Mets seevastu on valdavalt C3-taimed. Lõuna-Aafrikale ainulaadne taimestik on fynbos (hääldatakse: “finebose”), mis on ka C3.

Enamasti C3-taimi tarbival loomal on luudes erinev süsiniku isotoopide suhe kui loomal, kes sööb enamasti C4-taimi. Kabiloomade (kabjaliste imetajate: jõehobud, antiloobid, kaelkirjak, sead jne) jäänuste analüüs näitab, et fossiilide pargis 5 miljonit aastat tagasi valitsenud keskkonnas domineerisid C3 taimed.

Õietolm

Kuigi isotoopiline analüüs näitas, et piirkonnas ei domineerinud rohud, ei suutnud see puude, põõsaste ja ilveste vahel vahet teha. Õnneks on taimede eraldatud õietolm tavaliselt rikkalik ja setetes hästi säilinud.

Õietolm, erinevalt isotoopide vahekorrast, suudab üheselt tuvastada piirkonnas viibinud taimeperekonna või perekonna. Täiendava boonusena, erinevalt suurematest taimejääkidest nagu puit või lehed, kannab õietolm tuule ja vee poolt hõlpsalt laiali ja levitatakse seega laialdaselt üksiku taime asukohast. Ehkki te ei pruugi kunagi leida fossiililehti üksikult taimelt, leiate tõenäolisemalt selle õietolmu.

Õietolmu analüüs fossiilide pargis näitab, et 5 miljonit aastat tagasi hõlmas see piirkond rohttaimede Ranunculaceae (nt liblikad), Cyperaceae (setted, nt papüürus), Asteraceae (nt karikakrad) ja Umbelliferae (nt petersell, kuninganna Anne pits) taimeperekondi. Nende botaaniliste perekondade kombinatsiooni kasutati rannikuala tavalise elupaika järeldamiseks. Asteraceae, Chenopodiaceae (hanejalg) ja Amaranthaceae (amarant) taimeperekondade esinemine näitas lisaks kuivemaid tingimusi. Kohal olid ka proteaceae perekonna (nt protea) puude õietolm, samuti Podocarpus (nt kollapuu) ja Olea (nt oliiv ja raudpuu) perekonnad.

Kogu selle õietolmu olemasolu annab pildi taimekooslustest, kes asustasid selles piirkonnas fossiilsete setete deponeerimise ajal. Teades, millised taimed ja loomad sel ajal viibisid, saab seda kasutada mineviku keskkonna märkimiseks.

Goldilocksi vanuse tutvumisprobleem

Süsinik-14 on süsiniku (looduslikult esinev) radioaktiivne isotoop, mis on vanade materjalide tutvustamiseks kõige populaarsem meetod. Valdavat osa kiviktaimlast ei saa selle tehnikaga dateerida, kuna C-14 poolväärtusaeg on liiga lühike ja see nõuab ka algse orgaanilise materjali olemasolu (arvestades, et kivistumine asendab originaalse orgaanilise materjali rohkem vastupidavad mineraalid). Kui orgaaniline materjal on 75 000 aastat vana, on proovis usaldusväärseks mõõtmiseks liiga vähe C-14.

Kaaliumi (K-40) radioaktiivsel isotoobil on palju pikem poolestusaeg kui C-14 ja see on tardkivimites. Seega saab kaaliumi ja selle tütarprodukti Argooni hõlmavaid tehnikaid kasutada materjalidel, mis purskasid vulkaanidest enam kui 100 000 aastat tagasi (kuna poolestusaeg on nii pikk, ei saa seda tehnikat kasutada väga noore materjali puhul, kuna nii väike osa algsest kaaliumist on lagunenud, nii et me ei saa seda täpselt mõõta).

Kahjuks ei olnud Lõuna-Aafrika nende loomade surma ajal vulkaaniliselt aktiivne, seega ei saa setteid dateerida otse, kasutades kaaliumargooni. Setete vanuse märkimiseks võib kasutada ka muid meetodeid, mis hõlmavad meretaseme muutumist, paleomagnetismi ja fossiile.

Aegade sidumine fossiilidega

Biostratigraafia on meetod, mille abil tellitakse säilinud kivimitel põhinevad kivimid, ning see on kasulik alternatiiv fossiilsete kivimite vanusepiirangute kehtestamiseks. Mõned loomaliigid, näiteks sead ja elevandid, näivad muutuvat kiiresti (geoloogilises mõttes), nii et nende loomade erinevate komplektide tuvastamine võib aidata kivimite vanust täpselt kindlaks teha.

Fossiilsete loomade vihjed piiravad lääneranniku fossiilipargi setete vanust umbes 5,2 miljoni aastani. Suid (siga) Nyanzachoerus kanamensis on leitud nii Ida-Aafrikast kui ka fossiilipargist. Ida-Aafrikas toimuva aktiivse riftingu ja sellega seotud vulkaanilise aktiivsuse tõttu on selle liigiga seotud absoluutne vanusekuupäev (nagu ka selles, võime sellele numbri lisada). Kuna sigade perekond oli geoloogiliselt kiirete muutustega, võime selle liigi leidmisel öelda midagi pargis asuvate setete vanuse kohta.

Rohkem informatsiooni
1 isotoopide analüüs ja maisi ajalugu: Robert H. Tykot, 10. peatükk: J. E. Staller, R. H. Tykot ja B. F. Benz (toimetajad), Maisi ajalood: multidistsiplinaarsed lähenemisviisid maisi eelajaloole, lingvistikale, biogeograafiale, kodustamisele ja arengule, Academic Press (Elsevier), 2009.
2 Kaplinna kivimid ja mineraalid: J.S. Compton, Kahekorruselised raamatud, Kaplinn, Lõuna-Aafrika, 112 lehekülge, 2004.
3 CleanTOPO2: Redigeeritud SRTM30 Plusi maailmakõrguse andmed: Tom Patterson, USA rahvuspargi teenistus, 2013.
4 Hilise cenozoilise Langebaanwegi (LBW) paleontoloogilise saidi piirkondlik ja globaalne kontekst: Lõuna-Aafrika läänerannik: David L. Roberts jt, Earth-Science Reviews, köide 106: 3-4, lk 191–214, 2011.
5 Keskkond 5-5,2 miljonit aastat tagasi: artikkel Lääneranniku fossiilipargi veebisaidil, viimati külastatud 2016. aasta detsembris.

Järeldused

Keskkonna rekonstrueerimisel võib sageli osutuda peeneks detailiks: isotoopsed signatuurid luudes, hammaste mikrorõivad (hammaste pinna kriimustused võivad näidata, kas loom oli karjataja, brauser või segarežiimis söötja), setetes olevad õietolmu kogumid , jne…

Praegu on park Vahemere kliimas ja asub ookeanist enam kui 10 km kaugusel. Kõik ühised tõendid näitavad siiski, et viis miljonit aastat tagasi oleks lääneranniku fossiilipark eksisteerinud subtroopilises metsamaal, mille lähedal iidne Bergi jõgi tühjenes Atlandi ookeani.

Loomsed jäänused koos mikroskoopiliste ja keemiliste vihjetega loovad ühtse pildi sellest, milline see piirkond oli, kuigi ükski inimene ei olnud selle otseseks tunnistajaks. Just sel moel lahti harutasid geoteadlased Maa varasema elu ja kliima saladused.

Tänapäeval võib neid fossiile näha kohapeal (paigas) Lõuna-Aafrika lääneranniku fossiilide pargis ning külalised saavad isegi aidata keskkonnapilti täiendada, otsides sõelast lindude, konnade, näriliste ja paljude teiste väikeste loomade mikrofossiile. ekraanid. Muuseumi kogudesse lisatakse leiud - külastajatel ei ole lubatud eksemplare ise koguda, kuna Lõuna-Aafrika Vabariik kaitseb kõiki fossiile.

Lääneranniku fossiilide park

Lääneranniku fossiilide park asub Lõuna-Aafrika Vabariigis Kaplinnast 120 km põhja pool. Nende veebisait sisaldab rikkalikku teavet selle saidi kohta, üksikasjalikke juhiseid, teavet seal toimuvate uuringute kohta, samuti hariduslikke animatsioone ja töölehti. Selle artikli autor tänab fossiilipargi juhataja Pippa Haarhoffi abi ja julgustuse eest.

Autori kohta

Alex Guth on Michigani Tehnikaülikooli doktorikraadiga ja tema väitekiri keskendus Kenya Rifti vulkaanilisele arengule. Ta on külastanud Lõuna-Aafrika Lääne-Kapimaa piirkonda mitu korda, et abistada oma nõustajat geoloogiavälja laagris, ning tema uurimused Aafrikas on andnud mitmeid võimalusi teha koostööd National Geographicuga. Tema veebisaiti saab vaadata aadressil: //www.geo.mtu.edu/~alguth/