Innehåll
- Introduktion
- Webbplatsupptäckt och utveckling
- Bildar en Konzentrat-Lagerstätte
- Rekonstruera en miljö
- Kolisotoper: Mer än bara ålderdating
- Pollen
- Problemet med Goldilocks ålderdatum
- Koppla åldrar till fossil
- Slutsatser
- Om författaren
Rekonstruera en miljö: Forskare kombinerar många bevis för att förstå jordens förflutna. Fossiler (A) visar specifikt vilka djur som bodde i en region, medan sedimenten kring benen ger viktiga ledtrådar om deponeringsinställningen. Ben kan analyseras ytterligare med avseende på deras isotopkompositioner, vilket påverkas av vilka växter djuret konsumerade medan han lever (B). Dessutom tenderar pollen frisläppt från växter att lätt bevaras i den geologiska posten, vilket ger en detaljerad redogörelse för tidigare blommor samhällen.Alla dessa bevis kan kombineras för att skapa detaljerade rekonstruktioner av miljöer som fanns för miljontals år sedan (C).
West Coast Fossil Park: Platskarta som visar höjden av Afrika (1) med västra Kapprovinsen i Sydafrika (2) utökad. På karta 2 är den södra orange stjärnan platsen för Kapstaden, och den nordliga blå stjärnan representerar West Coast Fossil Park. Delmängdsregionen 3 utvidgas för att visa de nuvarande havsförhållandena (3A) och situationen för 5,2 miljoner år sedan, då havsnivån var ~ 30 meter högre än nuvarande (3B). Vid den tiden skulle platsen som ockuperades av fossilparken ha varit nära kusten där den gamla Bergfloden tömdes ut i Atlanten. Höjd av Afrika baskarta kommer från CleanTOPO2-datauppsättningen, och satellitbilder är NASAs Landsat GeoCover cirka 2000.
Introduktion
Hur vet vi hur den forntida jorden såg ut innan människor fanns runt för att bevittna och registrera förhållanden? Ett av de viktigaste sätten som geovetenskapsmän upptäcker tidigare klimat och ekosystem är genom att göra detaljerade studier av avlagringar som innehåller de bevarade resterna av gamla växter och djur.
Bildningen av fossiler är i allmänhet en sällsynt händelse, så att hitta fickor med koncentrerade, eller mycket detaljerade, fossila rester är vetenskapligt värdefulla. Fossilavlagringar som är kända för sin mångfald eller detalj kallas Lagerstätten (tyska för "moderlod" eller "lagringsplats"), som kan delas upp i två huvudtyper.
Konservat-Lagerstätten är platser där en organisms fina detaljer är konserverad (notera likheten mellan den tyska och kursiviserade engelska motsvarigheten). På sådana platser registreras de mjuka delarna av en organisme, som normalt förfaller, som intryck eller kolfilmer. Kända exempel på sådana avlagringar är Burgess Shale i British Columbia och Green River Formation i västra USA.
Den andra sorten är Konzentrat-Lagerstätte, som är en plats där det finns en stor koncentration av ben. Även om dessa platser inte ger många fina detaljer om organismerna, kan de ge en glimt av ett forntida ekosystem genom att koncentrera benen på djur som normalt skulle spridas över ett brett område. Exempel inkluderar exponeringarna för Jurassic-åldern Morrison Formation vid Dinosaur National Monument i Utah och den 15-16 miljoner år gamla Sharktooth Hill Bone Bed i Kalifornien.
Ett annat exempel på en Konzentrat-Lagerstätten finns i sedimentavlagringarna i Langebaanweg-formationen i Västkustens fossilpark i Sydafrika. De många resterna i dessa fossila bäddar ger viktig information om de biologiska samhällena och klimatet i regionen för cirka 5 miljoner år sedan.
Webbplatsupptäckt och utveckling
Ursprungligen en fosfatgruva, fossilerna upptäcktes i slutet av 1950-talet. Fosfater bryts idag främst för användning i gödselmedel, och fosforsyra används ofta i läsk. Dessa stenar bryts emellertid ursprungligen för användning i andra världskrigets beväpningar.
Sedimentära fosfatavlagringar produceras i regioner med hög marinbiologisk produktivitet, liksom de moderna kontinentalsocklarna. På grund av förändrade förhållanden, havsnivån i detta fall, är regioner som tidigare var under vatten exponerade på land och tillgängliga för upptäckt och utgrävning. Aktiv gruvdrift på fossilplatsen upphörde 1993 när gruvan stängdes, och området där fossil hade upptäckts avsattes som ett nationellt monument (som snart skulle bli en nationalarv). Gruvverksamheten kan ha förstört 80% av fossilerna på denna plats, men det finns fortfarande uppskattningsvis 1 miljon exemplar bevarade i samlingarna i Iziko South African Museum.
Fosfatberg med organiskt material: En centimeterskala bredvid fosfater. De röda kornen representerar det fosfatiserade organiska materialet. Foto av Alexandra Guth.
Bildar en Konzentrat-Lagerstätte
Det är vanligt att visualisera fossiliseringsprocessen som ett enda djur som dör och sedan begravs på plats. Medan vissa djur dog direkt på de översvämningar som tidigare fanns på platsen, flyttades många av resterna vid West Coast Fossil Park och koncentrerades av vatten på denna enda plats över tid.
Troligen tömde Bergens älva "förfader" i Atlanten nära dagens park när benen deponerades. En sandsträng till havs kan ha hindrat resterna från att spolas ut till havet och kan också ha samtidigt agerat för att fånga rester som tvättats in från havet.
Rekonstruera en miljö
Olika djur och växter har olika livsmiljöbehov; så att identifiera resterna för att fastställa vilken gemenskap som finns finns ledtrådar om tidigare ekosystem. Den här uppgiften blir svårare för avlagringar som representerar en helt utrotad fauna (som dinosaurierna i Jurassic Morrison-formationen), men resterna i West Coast Fossil Park är bara 5 miljoner år gamla. Medan de flesta arter som bevaras i parken utrotas själva, är de nära besläktade med moderna arter.
När det gäller att identifiera ett djur behöver du inte 100% av en individs ben för att säkert identifiera det. Detta är särskilt viktigt, eftersom hela skelett inte vanligtvis finns, särskilt i Konzentrat-Lagerstätten där benen har disartikulerats och transporterats. Det finns ofta en extra konserveringsförspänning, där små känsliga ben förstörs under transport, medan tjockare och stabilare ben är mer benägna att förbli intakta. Trots dessa svårigheter är paleontologer ganska framgångsrika med att klassificera och identifiera ben för att bilda det forntida samhället.
Djuren som hittades vid västkustens fossilpark indikerar att området låg nära gränsen mellan land och hav, med tanke på att både marina djur (t.ex. säl, megalodonhaj, 4 arter av pingvin) och land däggdjur (t.ex. korthalsad giraff, aardvark , hyena, flodhäst, mammut, antilop, tre-toed häst, sabel-tandad katt) hittades tillsammans. Den extra närvaron av grodor (minst 8, kanske så många som 12 arter är representerade i avlagringarna) indikerar att det måste ha varit stående färskvatten. Även om många grodearter uppvisar viss tolerans mot saltvatten, finns det inga kända amfibier som lever rent marina livsmiljöer.
Benbädd: Benbädden på plats som visas på West Coast Fossil Park, Sydafrika. Käftbenet i mitten tillhörde en Sivathere, en utdöd släkting till den moderna giraffen. Strängen markerar ett 1-meters rutnät.
Kolisotoper: Mer än bara ålderdating
En mer detaljerad förståelse kan komma från att undersöka kolisotoperna som bevaras i ben och tänder. Medan de flesta känner till C-14-isotopen på grund av dess användning i de senaste resterna (se diskussion nedan), har kol två isotoper som är vanligare och inte radioaktiva. C-12 är den vanligaste kolens isotop, varvid C-13 är en sekundär stabil isotop. Eftersom de är stabila förfaller de inte över tiden.
Olika växtgrupper har distinkta förhållanden mellan kolisotoper som kan användas som ett fingeravtryck för paleodiet av gamla djur. Kolet i växter används för att bygga ben och tänder, så att förhållandena i växterna återspeglas i benen hos djuren som konsumerar dem.
Dessa olika isotopiska signaturer beror på de olika metaboliska vägarna som används av växter. Många gräs är geologiskt nyligen och är "C4-växter", medan träd och örtartade växter är "C3-växter". En savannah består av både C4- och C3-växter eftersom det finns träd, buskar och gräs. En skog å andra sidan kommer främst att vara C3-växter. En flora som är unik för Sydafrika är fynbos (uttalas: "finebose"), som också är C3.
Ett djur som konsumerar mestadels C3-växter kommer att ha ett annat kolisotopförhållande i sina ben än ett djur som mest äter C4-växter. Analys som gjordes på resterna av hovdjur (klövda däggdjur: flodhästar, antilop, giraff, grisar osv ...) tyder på att miljön närvarande i fossilparken för 5 miljoner år sedan dominerades av C3-växter.
Pollen
Medan den isotopanalysen indikerade att regionen inte dominerades av gräs, kunde den inte skilja mellan träd, buskar och fynbos. Lyckligtvis är pollen frisläppt av växter vanligtvis rikligt och väl bevarat i sediment.
Pollen, till skillnad från isotopförhållanden, kan på ett unikt sätt identifiera en växtfamilj eller släkte som fanns i området. Som en extra bonus, till skillnad från större växt kvar som trä eller löv, kan pollen lätt transporteras av vind och vatten och sprids således mycket från en enskild anläggnings plats. Även om du kanske aldrig hittar ett fossilt blad från en enskild växt, är du mycket mer benägna att hitta dess pollen.
Pollenanalys i fossilparken indikerar att regionen för 5 miljoner år sedan inkluderade de örtartade Ranunculaceae (t.ex. smörblommor), Cyperaceae (sedges, t.ex. papyrus), Asteraceae (t.ex. prästkragar) och Umbelliferae (t.ex. persilja, drottning Annes spets) växtfamiljer. Kombinationen av dessa botaniska familjer användes för att dra slutsatser om en livsmiljö vid kusten. Närvaron av växterfamiljerna Asteraceae, Chenopodiaceae (gåfota) och Amaranthaceae (amaranth) indikerade dessutom torrare förhållanden. Pollen från träd från familjen Proteaceae (t.ex. protea) samt Podocarpus (t.ex. gulved) och Olea (t.ex. oliv- och järnved) var också närvarande.
Förekomsten av allt detta pollen ger en bild av växtsamhällena som bebodde denna region vid den tidpunkt då de fossiliska sedimenten deponerades. Att veta vilka växter och djur som fanns närvarande kan då användas för att indikera den förflutna miljön.
Problemet med Goldilocks ålderdatum
Carbon-14 är den (naturligt förekommande) radioaktiva isotopen av kol som är den mest populära metoden för datering av gamla material. Men de allra flesta av bergskivorna kan inte dateras med denna teknik eftersom halveringstiden för C-14 är för kort, och det kräver också närvaron av det ursprungliga organiska materialet (medan fossilisering ersätter det ursprungliga organiska materialet med mer hållbara mineraler). När det organiska materialet är 75 000 år gammalt finns det för lite C-14 kvar i provet för att tillförlitligt mäta.
Den radioaktiva isotopen av kalium (K-40) har en mycket längre halveringstid än C-14 och finns i stolliga bergarter. Således kan tekniker som involverar kalium och dess dotterprodukt Argon användas på material som bröt ut från vulkaner för mer än 100 000 år sedan (eftersom halveringstiden är så lång kan den här tekniken inte användas på mycket ungt material eftersom en så liten fraktion av det ursprungliga kaliumet har förfallit att vi inte kan mäta det exakt).
Tyvärr var Sydafrika inte vulkaniskt aktiv under tiden dessa djur dog, så sedimenten kan inte dateras direkt med kalium-argon. Andra metoder som involverar mönster av havsnivåförändring, paleomagnetism och fossil kan emellertid användas för att indikera sedimentets ålder.
Koppla åldrar till fossil
Biostratigrafi är en metod för att beställa bergskivan baserad på djurresterna närvarande, och är ett användbart alternativ för att tillhandahålla åldersbegränsningar på fossila bergarter. Vissa djurfamiljer som grisar och elefanter verkar förändras snabbt (i geologisk mening), så att identifiera olika uppsättningar av dessa djur kan hjälpa till att fastställa klippornas ålder.
Ledtrådar från fossila djur begränsar åldern av västkustens fossilpark sediment till cirka 5,2 miljoner år sedan. Den suid (grisen) Nyanzachoerus kanamensis har hittats i både Östra Afrika och i fossilparken. På grund av den aktiva riftningen och tillhörande vulkanaktiviteten i Östra Afrika har ett absolut åldersdatum (som i, vi kan fästa ett nummer till det), associerats med den arten. Eftersom grisfamiljen upplevde geologiskt snabba förändringar genom att hitta den arten kan vi säga något om sedimentens ålder i parken.
Slutsatser
Rekonstruktion av en miljö kan ofta komma till detaljer: isotopiska signaturer i ben, mikrovågsmönster på tänderna (repor på ytan av tänderna kan indikera om djuret var en grazer, webbläsare eller matare med blandat läge), pollenmonteringar i sediment , etc...
För närvarande finns parken i ett medelhavsklimat och ligger över 10 km från havet. Samtliga bevis tyder emellertid på att för fem miljoner år sedan skulle West Coast Fossil Park ha existerat i en subtropisk skogsmark nära där en forntida Bergflod tömdes ut i Atlanten.
Djurrester i kombination med mikroskopiska och kemiska ledtrådar skapar en sammanhängande bild av hur denna region var, även om ingen människa var i närheten för att bevittna det direkt. Det är på detta sätt som geovetenskapsmän upptäcker mysterierna i jordens tidigare liv och klimat.
Idag kan dessa fossiler ses på plats (på plats) vid Västkustens fossilpark i Sydafrika, och gästerna kan till och med hjälpa till att fullfölja miljöbilden genom att leta efter mikrofossiler av fåglar, grodor, gnagare och många andra små djur på sikt skärmar. Eventuella fynd läggs till museets samlingar - besökare har inte tillåtelse att samla in prov för sig själva, eftersom alla fossiler är skyddade av staten i Sydafrika.
West Coast Fossil Park ligger 120 km norr om Kapstaden i Sydafrika. Deras webbplats innehåller riklig information om webbplatsen, detaljerade vägbeskrivningar, information om forskning som sker där, samt pedagogiska animationer och kalkylblad. Författaren till denna artikel vill tacka chefen för fossilparken, Pippa Haarhoff, för hennes hjälp och uppmuntran.
Om författaren
Alex Guth är doktorand från Michigan Technological University och avhandlingen fokuserade på den vulkaniska utvecklingen av Kenya Rift. Hon har besökt den västra Kapprovinsen i Sydafrika flera gånger för att hjälpa sin rådgivare med geologifältläger, och hennes forskning i Afrika har lett till flera möjligheter att arbeta med National Geographic. Hennes webbplats kan ses på: http://www.geo.mtu.edu/~alguth/