Czym są skamieniałości? – czyli o paleontologii słów kilkaCzas czytania: 16 min

Jednym z najciekawszych działów biologii jest paleontologia zajmująca się poszukiwaniem i badaniem skamieniałości, które stanowią zapis kopalny dawnych form życia. Każde takie odkrycie poszerza zasoby skamieniałości, a czasami prowadzi do postawienia nowych, istotnych z punktu widzenia nauki hipotez. Skamieniałości są często przedstawiane jako ważne świadectwa na rzecz teorii ewolucji. Jednak sporządzony na ich podstawie zapis jest niekompletny, na co zwracał uwagę już sam Karol Darwin, który doszukiwał się tu jednego z najważniejszych zarzutów wobec teorii ewolucji, bowiem musielibyśmy znaleźć tysiące form przejściowych pomiędzy różnorodnymi organizmami¹. Istotne konsekwencje dla nauki przyniosło odkrycie tzw. człowieka z Piltdown – czaszki zawierającej zarówno cechy małpy, jak i człowieka nowożytnego. Znalezisko to wstrząsnęło światem nauki i od razu potraktowano je jako brakujące stadium ewolucji człowieka. Po czterdziestu latach okazało się

, że była to mistyfikacja – fragmenty czaszki człowieka z późnego średniowiecza zostały połączone z fragmentami czaszki orangutana i sztucznie postarzone przez moczenie w roztworze żelaza i kwasu chromowego². Mimo że było to fałszerstwo, historia ta pokazuje, z jak ogromnymi emocjami wiążą się niektóre odkrycia paleontologiczne.  Skamieniałości są bowiem swoistymi skarbami, gdyż ich powstanie jest mechanizmem bardziej złożonym niż mogłoby się wydawać: większość procesów w przyrodzie utrudnia powstawanie skamieniałości.

Czym więc są skamieniałości?

Paleontologia czerpie z wielu dyscyplin nauki, jak i sama stanowi podstawę dla innych dyscyplin. Na jej gruncie wyrastają takie nauki, jak paleoantropologia (badanie skamieniałości dotyczących historii człowieka) i paleopatologia (badanie deformacji i malformacji kości, mówiących o procesach chorobowych)³. Sama zaś paleontologia opiera się między innymi na biologii, geologii, krystalografii i tafonomii, ponieważ za powstanie skamieniałości odpowiada wiele procesów biologicznych, chemicznych, fizycznych oraz geologicznych, nazywanych procesami fosylizacyjnymi⁴.

Skamieniałości to wszelkie możliwe szczątki bądź ślady życia (roślin lub zwierząt), które zachowały się do czasów współczesnych. Dzieli się je na: strukturalne, czyli tkanki (najczęściej kości) danego organizmu; oraz śladowe, czyli wszelkie przejawy aktywności danych gatunków, na przykład koprolity (skamieniałe odchody), ślady pełzania czy drążenia. Innymi słowy, skamieniałością jest każde świadectwo istnienia życia zachowane w skale⁵. Jednym z najbardziej znanych przykładów takich śladów w Polsce są odciski i szczątki roślin w węglu kamiennym⁶. Proces powstawania skamieniałości jest jednak bardzo złożony i od śmierci danego organizmu do odkrycia jego śladu kopalnego przez paleontologów prowadzi długa droga, w trakcie której może zdarzyć się wiele rzeczy, które utrudnią bądź uniemożliwią fosylizację. W tym kontekście mówi się o tak zwanym potencjale fosylizacyjnym (prawdopodobieństwie powstania skamieniałości) i filtrach tafonomicznych (wszelkich przeszkodach stojących na drodze do powstania i przetrwania skamieniałości; czynnikach wpływających na niekompletność zapisu kopalnego).

Długa droga zapisu kopalnego

Aby odkryto skamieniałość, dane szczątki lub ślady muszą wykazywać się wysokim potencjałem fosylizacyjnym oraz przejść wszystkie filtry tafonomiczne⁷. Wyróżnia się dziewięć takich filtrów:

1. Filtr anatomiczny: różne tkanki wykazują się rozmaitym potencjałem fosylizacyjnym – nie wszystkie tkanki mają równe szanse na stanie się skamieniałością. Największym potencjałem wykazują się tkanki wysokozmineralizowane, na przykład kości kręgowców lub egzoszkielety bezkręgowców.
2. Filtr biologiczny: im większa bioróżnorodność danego ekosystemu, tym większe prawdopodobieństwo, że szczątki lub ślady jakichś organizmów w nim żyjących ulegną fosylizacji.
3. Filtr ekologiczny: środowisko, w którym żyją dane organizmy, jest bardziej lub mniej przyjazne powstaniu i zachowaniu skamieniałości. Większe jest prawdopodobieństwo, że skamieniałość powstanie na dnie zbiornika wodnego przykryta mułem niż w wysokich górach, gdzie dominuje erozja gleby.
4. Filtr sedymentacyjny: rodzaj osadu, w którym znajdą się szczątki lub ślady, powinien być przyjazny dla ich zachowania. W przypadku skamieniałości na dnie zbiornika wodnego znacznie bardziej przyjazny dla zapisu kopalnego jest muł węglanowy lub drobnoziarnisty piasek niż żwir, który przepływając, niszczyłby szczątki.
5. Filtr przeddiagenetyczny: procesy zachodzące po sedymentacji, kiedy organizm już leży w osadzie, poprzedzające diagenezę.
6. Filtr diagenetyczny: skład chemiczny i odczyn środowiska ma istotne znaczenie dla potencjału fosylizacyjnego. Im bardziej kwaśne środowisko (np. ściółka leśna), tym mniejsze prawdopodobieństwo, że nawet wysokozmineralizowane szczątki przetrwają. Odczyn zasadowy (np. muł węglanowy) zwiększa potencjał fosylizacyjny.
7. Filtr metamorficzny: skały mogą ulegać geologicznym procesom metamorficznym spowodowanym najczęściej wysoką temperaturą i wysokim ciśnieniem. Skała wówczas zmienia między innymi swoją strukturę oraz skład mineralny. Jeśli skała osadowa, w której znajduje się skamieniałość, ulegnie procesom metamorficznymi, ślad kopalny zostaje zniszczony.
8. Filtr ruchu pionowego: zderzanie się płyt tektonicznych niszczy skamieniałości. Dotyczy to szczególnie zapisu sprzed milionów lat, który może znajdować się w głębokich warstwach skorupy ziemskiej.
9. Filtr antropogeniczny: jeśli skamieniałość przeszła wszystkie poprzednie filtry, musi zostać prawidłowo wydobyta oraz zakonserwowana przez paleontologów. Znalezienie szczątków przez osobę niedoświadczoną może prowadzić do ich niedbałego wydobycia, a w konsekwencji do zniszczenia.

Droga, którą musi przetrwać skamieniałość od śmierci organizmu do jego odkrycia, jest więc bardzo długa i złożona. Filtry tafonomiczne nakładają się na siebie, nawet ekosystem wykazujący się wysoką bioróżnorodnością (filtr biologiczny) może nie zostawić po sobie żadnego śladu kopalnego, jeśli rozwijał się głównie w górach (filtr ekologiczny). Często jednak przez szybkie przejście filtrów tafonomicznych, na przykład w wyniku gwałtownego przysypania organizmów (choćby przez osuwające się zbocze), można odnaleźć szczątki zwierząt w pozycjach charakterystycznych dla organizmów żywych. Jedną z takich skamieniałości są tak zwane walczące dinozaury z pustyni Gobi⁸. Podobnie sytuacja wygląda w przypadku szczątków ofiar wybuchu Wezuwiusza – nagłe pokrycie ciał gorącym pyłem wulkanicznym spowodowało bardzo szybki przebieg procesów fosylizacyjnych i „zatrzymało” mieszkańców Pompejów w sytuacjach życia codziennego⁹.

Wyjątkowe okazy

Biorąc pod uwagę przeszkody w postaci filtrów tafonomicznych radykalnie ograniczających potencjał fosylizacyjny na każdym etapie powstawania skamieniałości, każdy nawet najdrobniejszy okaz jest czymś wyjątkowym – stanowi skarb paleontologii¹⁰. Jednak wśród tych osobliwych znalezisk wyróżnia się takie, które są jeszcze bardziej unikalne, gdyż prezentują na przykład tkanki miękkie, wykazujące się niskim potencjałem fosylizacyjnym, ale zachowane dzięki korzystnemu przebiegowi procesów związanych z diagenezą (np. zachowanie ciała w wiecznej zmarzlinie albo substancjach bitumicznych: woskach lub żywicach). Najbardziej znane przykłady takich znalezisk to:

1. Nosorożec ze Staruni – skóra oraz mięśnie nosorożca żyjącego w późnym plejstocenie zachowały się dzięki konserwującym właściwościom pokładów solanki i ozokerytu (wosku ziemnego), w których znalazło się ciało¹¹.
2. Wilk z Jakucji – głowa wilka sprzed 40 tysięcy lat z dobrze zachowanymi futrem, zębami oraz mózgiem, dzięki pozostawaniu w syberyjskiej wiecznej zmarzlinie¹².
3. Zmumifikowany mamut włochaty z Syberii – dobrze zachowane skóra oraz tkanki miękkie mamuta sprzed

   

   ponad 40 tysięcy lat, które uległy mumifikacji poprzez przebywanie w wiecznej zmarzlinie¹³.

4. Krwinki dinozaurów – komórki krwinkopodobne znalezione na pazurach dinozaura sprzed 75 milionów lat¹⁴.

Innymi przykładami procesów związanych z diagenezą są: karbonizacja (uwęglenie), rekrystalizacja, a także remineralizacja. Karbonizacji uległy między innymi szczątki karbońskich paprotników, które dziś występują w formie węgla kamiennego¹⁵. Podobnie torfy, które w wyniku procesu uwęglenia i rekrystalizacji mogły się przekształcić w węgiel brunatny lub kamienny, a nawet w antracyt lub grafit¹⁶.

Najlepszym przykładem rekrystalizacji jest przemiana aragonitu w kalcyt. Pod względem chemicznym obie te substancje to węglan wapnia (CaCO₃), jednak różnią się układem krystalograficznym. Aragonit jest formą bardzo niestabilną, dlatego w procesach fosylizacji przy sprzyjających warunkach diagenetycznych ulegał przemianom, tworząc znacznie bardziej trwały kalcyt. Widoczne to jest choćby w przypadku amonitów, których skorupę tworzy aragonit, ale odkrywane skamieniałości składają się z kalcytu¹⁷. Znaleziono jednak skamieniałości amonitów, które nie uległy rekrystalizacji, a aragonit, z którego się składają, charakteryzuje się estetycznymi barwami oraz wzorami¹⁸.

Remineralizacja to proces fosylizacyjny, podczas którego zmienia się nie tylko krystalograficzna struktura, ale również skład chemiczny skamieniałości. Jednym z najpowszechniejszych rodzajów remineralizacji jest sylifikacja, czyli zastąpienie substancji organicznej ciała krzemionką (SiO₂). Dzieje się tak głównie, kiedy szczątki znajdą się w gorącym roztworze silnie przesyconym SiO₂, a wskutek zmian temperatury i odparowania wody krzemionka ulegnie szybkiemu strąceniu¹⁹. Nie oznacza to jednak, że taki zapis niszczy strukturę pierwotnej tkanki, bowiem w sylifikowanych roślinach z terenów Szkocji odkryto zachowaną strukturę ich organów, a nawet tkanek, co pozwala na badanie skamieniałości nie tylko w skali makroskopowej, ale również na poziomie histologicznym²⁰.

Innymi wyjątkowymi skamieniałościami są szczątki roślinne z początku okresu jurajskiego (ok. 200 milionów lat temu) odnalezione w Bałtyku. Ich unikatowość polega na tym, że zachowały się organella komórkowe, a nawet można zaobserwować zatrzymaną fazę podziału komórkowego w jądrze²¹. Jest to kolejny przykład, który pokazuje, że aby skamieniałość przetrwała, fosylizacja musi zajść względnie szybko. Ważne w tym kontekście są wszelkie czynniki i okoliczności przyspieszające i wspomagające proces fosylizacji, pozwalając na szybkie przejście wszystkich filtrów tafonomicznych.

Wielość przeszkód, z którymi muszą się zmierzyć szczątki, sprawia, że każde takie znalezisko jest cenne. Przede wszystkim ciało musi uniknąć zjedzenia przez drapieżniki lub padlinożerców, a także rozłożenia przez destruentów. Tak uchronione szczątki muszą też znajdować się w miejscu, które nie jest podatne na silne prądy wodne lub warunki atmosferyczne, a także być wolne od wszelkich szkodliwych czynników chemicznych. Bardzo ważnym elementem w tym procesie jest szybkie zasypanie szczątków osadem oraz następnie sprzyjające procesy diagenetyczne. Nawet jeśli skamieniałość przetrwa miliony lat, może zostać zniszczona przez metamorfizm skorupy ziemskiej, tektonikę płyt lub czynnik ludzki. Mimo że każda forma zapisu kopalnego jest paleontologicznym skarbem, gdyż nie wszystkie szczątki mają szansę się zachować, to jednak wspomniane wyjątkowe okazy stanowią swoiste unikaty, właśnie ze względu na jeszcze mniejsze prawdopodobieństwo ich przetrwania w takiej formie.

Po co nam skamieniałości?

Każda skamieniałość stanowi drobny wycinek dawnego świata. Zapis kopalny jest świadectwem wymarłego życia, a dzięki skamieniałościom dowiadujemy się, jak ono wyglądało tysiące, a nawet miliony lat temu. Można dostrzec, w jaki sposób dane organizmy współistniały oraz – często –  w jaki sposób mogły zginąć. Znalezione skamieniałości tkanek miękkich mogą pozwolić na zbadanie fizjologii odkrywanych organizmów. W wyjątkowych przypadkach istnieje nawet możliwość zbadania ich materiału genetycznego²².

Skamieniałości są źródłem informacji na temat kształtowania się życia i jego różnorodności na Ziemi. Stanowią też wyzwanie dla nauki, choćby pod względem systematycznym lub weryfikacji poglądów o powstawania gatunków. Jednym z przykładów ważnego zdarzenia przywoływanego w kontekście rozwoju życia jest tak zwana eksplozja kambryjska, czyli relatywnie nagłe pojawienie się znaczącej liczby różnorodnych form makroskamieniałości bardzo zróżnicowanych organizmów wielokomórkowych w warstwach geologicznych z początku okresu kambru²³. W skali geologicznej jest to rzeczywiście stosunkowo nagłe wydarzenie (trwające w przybliżeniu 20 milionów lat), bowiem czas był zbyt krótki, aby na drodze ewolucyjnych zmian adaptacyjnych i przypadkowych mutacji genetycznych wytworzyły się tak znaczące różnice w planach budowy ciała. Eksplozja kambryjska stanowi więc poważne wyzwanie dla darwinowskiej teorii ewolucji, gdyż wśród licznych skamieniałości nie odnaleziono ewolucyjnych stadiów przejściowych łączących organizmy z tamtego okresu²⁴. Zapis kopalny może więc w tym przypadku odgrywać rolę czynnika weryfikującego prawdziwość teorii naukowej. Bez względu jednak na tę interpretację, należy zwrócić uwagę, że niewątpliwie każda skamieniałość stanowi krok naprzód we współczesnej nauce – jedna pozwoli na rozwój biologicznej systematyki, inna będzie materiałem badań krystalograficznych, a jeszcze inna może stanowić podstawę do weryfikacji różnorakich teorii rozwoju życia na Ziemi. Każda skamieniałość przyczynia się do rozwoju nauki na różnych płaszczyznach.

Jednym z naukowców badających okres kambru²⁵ oraz poprzedzający go okres ediakaranu²⁶ jest Günter Bechly – niemiecki paleontolog i entomolog specjalizujący się w historii skamieniałości i systematyce biologicznej owadów. Uczony został zaproszony do wygłoszenia wykładu w formie webinarium na temat skamieniałości i ich znaczenia dla nauki²⁷. Link do wydarzenia: https://enarche.pl/webinarium/.

To naprawdę niepojęte i zachwycające, że po milionach lat można odnaleźć ślady życia zwierząt lub roślin. Wspomniane webinarium z pewnością będzie okazją do zapoznania się z historią i znaczeniem skamieniałości, a przy okazji będzie można zadać pytania doświadczonemu paleontologowi.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Shutterstock

Ostatnia aktualizacja strony: 23.04.2021

Literatura: