Fossielen

Inzicht in verleden klimaat- en ecosystemen



Een case study van de afzettingen van Mio-Plioceen in het West Coast Fossil Park, Zuid-Afrikadoor Alexandra Guth, Michigan Technological University

Een omgeving reconstrueren: Wetenschappers combineren veel bewijs om het verleden van de aarde te begrijpen. Fossielen (A) laten specifiek zien welke dieren in een regio leefden, terwijl de sedimenten rond de botten belangrijke aanwijzingen geven over de afzetting. Botten kunnen verder worden geanalyseerd op hun isotopische samenstelling, die wordt beïnvloed door wat planten het dier tijdens zijn leven consumeerde (B). Bovendien wordt stuifmeel dat vrijkomt uit planten vaak goed bewaard in het geologische dossier, waardoor een gedetailleerd verslag wordt gegeven van vroegere bloemengemeenschappen. Al deze stukjes bewijs kunnen worden gecombineerd om gedetailleerde reconstructies te maken van omgevingen die miljoenen jaren geleden bestonden (C).

West Coast Fossil Park: Locatiekaart met de hoogte van Afrika (1) met de West-Kaapregio van Zuid-Afrika (2) uitgebreid. Op kaart 2 is de zuidelijke oranje ster de locatie van Kaapstad, en de noordelijke blauwe ster vertegenwoordigt het West Coast Fossil Park. De subset regio 3 wordt uitgebreid om de huidige zeespiegelcondities (3A) en de situatie 5,2 miljoen jaar geleden te laten zien, toen de zeespiegel ~ 30 meter hoger was dan de huidige (3B). Op dat moment zou het terrein dat werd ingenomen door het fossielenpark in de buurt van de kust zijn geweest, waar de oude rivier de Berg uitliep in de Atlantische Oceaan. Elevation of Africa-basiskaart is afkomstig van de CleanTOPO2-gegevensset en satellietbeelden zijn NASA's Landsat GeoCover circa 2000.

Invoering

Hoe weten we hoe de oude aarde was voordat mensen in de buurt waren om te getuigen en omstandigheden vast te leggen? Een van de belangrijkste manieren waarop geowetenschappers voorbij klimaten en ecosystemen ontrafelen, is door gedetailleerde onderzoeken te doen naar afzettingen die de bewaarde overblijfselen van oude planten en dieren bevatten.

De vorming van fossielen is over het algemeen een zeldzaam verschijnsel, dus het vinden van zakken met geconcentreerde of zeer gedetailleerde fossiele overblijfselen is wetenschappelijk waardevol. Fossiele afzettingen die opmerkelijk zijn vanwege hun diversiteit of detail, worden Lagerstätten (Duits voor 'moederpoort' of 'opslagplaats') genoemd, die in twee hoofdtypen kan worden onderverdeeld.

Konservat-Lagerstätten zijn locaties waar de fijne details van een organisme zijn geconserveerde (let op de overeenkomst tussen het Duitse en het cursieve Engelse equivalent). Op dergelijke plaatsen worden de zachte delen van een organisme, die normaal vergaan, geregistreerd als indrukken of koolstoffilms. Bekende voorbeelden van dergelijke afzettingen zijn de Burgess Shale in British Columbia en de Green River Formation in de westelijke VS.

De tweede variëteit is de Konzentrat-Lagerstätte, een locatie met een grote concentratie van botten. Hoewel deze sites niet veel fijne details van de organismen bieden, kunnen ze een glimp van een oud ecosysteem bieden door de botten van dieren te concentreren die normaal over een breed gebied zouden worden verspreid. Voorbeelden hiervan zijn de blootstellingen van de Jurassic-leeftijd Morrison Formation bij Dinosaur National monument in Utah, en de 15-16 miljoen jaar oude Sharktooth Hill Bone Bed in Californië.

Een ander voorbeeld van een Konzentrat-Lagerstätten wordt gevonden in de sedimentafzettingen van de Langebaanweg-formatie in het West Coast Fossil Park in Zuid-Afrika. De vele overblijfselen in deze fossielhoudende lagen bieden belangrijke informatie over de biologische gemeenschappen en het klimaat van de regio ongeveer 5 miljoen jaar geleden.

Site Discovery & Development

Oorspronkelijk een fosfaatmijn, werden de fossielen ontdekt in de late jaren 1950. Fosfaten worden tegenwoordig gedolven voornamelijk voor hun gebruik in meststoffen, en fosforzuur wordt vaak gebruikt in frisdranken. Deze rotsen werden echter in eerste instantie gedolven voor gebruik in de Tweede Wereldoorlog bewapening.

Sedimentaire fosfaatafzettingen worden geproduceerd in gebieden met een hoge mariene biologische productiviteit, zoals de moderne continentale planken. Vanwege veranderende omstandigheden, in dit geval de zeespiegel, zijn regio's die voorheen onder water waren nu blootgesteld aan land en toegankelijk voor detectie en opgraving. De actieve mijnbouw op de fossiele site stopte in 1993 toen de mijn werd gesloten en het gebied waar fossielen waren ontdekt, werd gereserveerd als een Nationaal Monument (binnenkort een National Heritage Site). Mijnbouwactiviteit heeft misschien 80% van de fossielen op deze site vernietigd, maar er zijn nog steeds naar schatting 1 miljoen exemplaren bewaard in de collecties van het Zuid-Afrikaanse Museum van Iziko.

Fosfaatrots met organisch materiaal: Een centimeter-schaal naast fosfaatrots. De rode korrels vertegenwoordigen het gefosfateerde organische materiaal. Foto door Alexandra Guth.

Vorming van een Konzentrat-Lagerstätte

Het is gebruikelijk om het fossilisatieproces te visualiseren als een enkel dier dat sterft en vervolgens op zijn plaats wordt begraven. Terwijl sommige dieren direct stierven op de uiterwaarden die vroeger op de locatie bestonden, werden veel van de overblijfselen in het West Coast Fossil Park in de loop van de tijd verplaatst en geconcentreerd door water op deze enkele locatie.

Waarschijnlijk liep de 'voorouder' van de Berg leeg in de Atlantische Oceaan nabij het huidige park toen de botten werden afgezet. Een offshore zandbank kan ervoor hebben gezorgd dat de overblijfselen niet naar zee zijn weggespoeld en kan ook gelijktijdig hebben gehandeld om overblijfselen ingesloten uit de oceaan te vangen.

Een omgeving reconstrueren

Verschillende dieren en planten hebben uiteenlopende habitatbehoeften; dus het identificeren van de overblijfselen om vast te stellen welke gemeenschap aanwezig is, biedt aanwijzingen over vroegere ecosystemen. Deze taak wordt moeilijker voor afzettingen die een volledig uitgestorven fauna vertegenwoordigen (zoals de dinosauriërs van de Jurassic Morrison-formatie), maar de overblijfselen in het West Coast Fossil Park zijn slechts '5 miljoen jaar oud'. Hoewel de meeste soorten die in het park worden bewaard, zelf zijn uitgestorven, zijn ze nauw verwant aan moderne soorten.

In termen van het identificeren van een dier heeft u niet 100% van de botten van een individu nodig om het vol vertrouwen te identificeren. Dit is vooral belangrijk, omdat hele skeletten niet vaak worden gevonden, vooral in Konzentrat-Lagerstätten, waar de botten zijn gedesarticuleerd en getransporteerd. Er is vaak een extra conserveringsvooroordeel, waarbij kleine delicate botten worden vernietigd tijdens het transport, terwijl dikkere en stevigere botten waarschijnlijk intact blijven. Ondanks deze moeilijkheden zijn paleontologen behoorlijk succesvol in het classificeren en identificeren van botten om de oude gemeenschap in beeld te brengen.

De dieren die in het West Coast Fossil Park zijn gevonden, geven aan dat het gebied dicht bij de grens van land en oceaan lag, aangezien zowel zeedieren (bijvoorbeeld zeehond, megalodonhaai, 4 soorten pinguïn) als landzoogdieren (bijvoorbeeld giraf met korte hals, aardvarken) , hyena, nijlpaard, mammoet, antilope, drietandig paard, sabeltandkat) werden samen gevonden. De extra aanwezigheid van kikkers (ten minste 8, misschien wel 12 soorten zijn vertegenwoordigd in de afzettingen) geeft aan dat er zoet water moet hebben gestaan. Hoewel veel kikkersoorten enige tolerantie voor zout water vertonen, zijn er geen bekende amfibieën die uitsluitend mariene habitats bewonen.

Beenbed: Het in-situ botbed weergegeven in het West Coast Fossil Park, Zuid-Afrika. Het kaakbot in het midden was van een Sivathere, een uitgestorven familielid van de moderne giraf. De string markeert een raster van 1 meter.

Carbon Isotopen: meer dan alleen leeftijd dating

Een meer gedetailleerd begrip kan komen uit het onderzoeken van de koolstofisotopen die in botten en tanden zijn bewaard. Hoewel de meeste mensen bekend zijn met de C-14-isotoop vanwege het gebruik ervan in recente overblijfselen (zie discussie hieronder), heeft koolstof twee isotopen die vaker voorkomen en niet radioactief zijn. C-12 is de meest voorkomende isotoop van koolstof, waarbij C-13 een secundaire stabiele isotoop is. Omdat ze stabiel zijn, vervallen ze niet in de loop van de tijd.

Verschillende plantengroepen hebben verschillende verhoudingen van koolstofisotopen die kunnen worden gebruikt als een vingerafdruk voor paleodiet van oude dieren. De koolstof in planten wordt gebruikt om botten en tanden te bouwen, zodat de verhoudingen in de planten worden weerspiegeld in de botten van de dieren die ze consumeren.

Deze verschillende isotopische handtekeningen zijn te wijten aan de verschillende metabole routes die planten gebruiken. Veel grassen zijn geologisch recent en zijn 'C4-planten', terwijl bomen en kruidachtige planten 'C3-planten' zijn. Een savanne bestaat uit zowel C4- als C3-planten omdat er bomen, struiken en grassen zijn. Een bos daarentegen zal voornamelijk C3-planten zijn. Een flora die uniek is voor Zuid-Afrika is het fynbos (uitgesproken als: "finebose"), dat ook C3 is.

Een dier dat voornamelijk C3-planten consumeert, heeft een andere koolstofisotoopverhouding in zijn botten dan een dier dat meestal C4-planten eet. Analyse uitgevoerd op de overblijfselen van hoefdieren (hoefdieren: nijlpaarden, antilopen, giraffen, varkens, enz ...) geeft aan dat het milieu dat 5 miljoen jaar geleden in het fossielenpark aanwezig was, werd gedomineerd door C3-planten.

Stuifmeel

Hoewel de isotopische analyse aangaf dat het gebied niet werd gedomineerd door grassen, kon het geen onderscheid maken tussen bomen, struiken en fynbos. Gelukkig is stuifmeel dat vrijkomt door planten meestal overvloedig en goed bewaard in sedimenten.

Pollen, in tegenstelling tot isotopenverhoudingen, kunnen op unieke wijze een plantenfamilie of geslacht identificeren dat in het gebied aanwezig was. Als een extra bonus, in tegenstelling tot grotere planten zoals hout of bladeren, wordt stuifmeel gemakkelijk gedragen door wind en water en wordt het dus breed verspreid vanaf de locatie van een individuele plant. Hoewel je misschien nooit een fossiel blad van een individuele plant zult vinden, heb je veel meer kans om zijn stuifmeel te vinden.

Pollenanalyse in het Fossil Park geeft aan dat de regio 5 miljoen jaar geleden de kruidachtige Ranunculaceae (bijvoorbeeld boterbloemen), Cyperaceae (zegges, bijvoorbeeld papyrus), Asteraceae (bijvoorbeeld madeliefjes) en Umbelliferae (bijvoorbeeld peterselie, de kant van Queen Anne) omvatte. De combinatie van deze botanische families werd gebruikt om een ​​kustvlakte-habitat af te leiden. De aanwezigheid van de plantfamilies Asteraceae, Chenopodiaceae (ganzenvoet) en Amaranthaceae (amaranth) duidde bovendien op drogere omstandigheden. Stuifmeel van bomen van de Proteaceae-familie (bijvoorbeeld protea), evenals de Podocarpus (bijvoorbeeld geelhout) en Olea (bijvoorbeeld olijf- en ijzerhout) geslachten waren ook aanwezig.

De aanwezigheid van al dit stuifmeel geeft een beeld van de plantengemeenschappen die deze regio bewoonden op het moment dat de fossielhoudende sedimenten werden afgezet. Weten welke planten en dieren op dat moment aanwezig waren, kan vervolgens worden gebruikt om de omgeving in het verleden aan te geven.

Het Goldilocks Age Dating-probleem

Koolstof-14 is de (natuurlijk voorkomende) radioactieve isotoop van koolstof die de meest populaire methode is voor het dateren van oude materialen. Het overgrote deel van het rotsrecord kan echter niet met deze techniek worden gedateerd omdat de halfwaardetijd van C-14 te kort is en het ook de aanwezigheid van het originele organische materiaal vereist (terwijl fossilisatie het oorspronkelijke organische materiaal vervangt door meer duurzame mineralen). Tegen de tijd dat organisch materiaal 75.000 jaar oud is, is er te weinig C-14 in het monster over om betrouwbaar te meten.

De radioactieve isotoop van kalium (K-40) heeft een veel langere halfwaardetijd dan C-14 en is aanwezig in stollingsgesteenten. Zo kunnen technieken met kalium en haar dochterproduct Argon worden gebruikt op materialen die meer dan 100.000 jaar geleden uit vulkanen zijn losgebarsten (omdat de halfwaardetijd zo lang is, kan deze techniek niet worden gebruikt op zeer jong materiaal omdat zo'n kleine fractie van het oorspronkelijke kalium is vervallen dat we het niet nauwkeurig kunnen meten).

Helaas was Zuid-Afrika niet vulkanisch actief gedurende de tijd dat deze dieren stierven, dus de sedimenten kunnen niet direct met kalium-argon worden gedateerd. Andere methoden met patronen van zeespiegelverandering, paleomagnetisme en fossielen kunnen echter worden gebruikt om de leeftijd van de sedimenten aan te geven.

Leeftijden koppelen aan fossielen

Biostratigrafie is een methode om het rotsrecord te ordenen op basis van de aanwezige dierenresten, en is een nuttig alternatief voor het bieden van leeftijdsgrenzen aan fossielhoudende rotsen. Sommige diersoorten zoals de varkens en olifanten lijken snel te veranderen (in geologische zin), dus het identificeren van verschillende sets van deze dieren kan helpen de leeftijd van de rotsen te bepalen.

Aanwijzingen van fossiele dieren beperken de leeftijd van de West Coast Fossil Park-sedimenten tot ongeveer 5,2 miljoen jaar geleden. De suïde (varken) Nyanzachoerus kanamensis is zowel in Oost-Afrika als in het fossielenpark gevonden. Vanwege de actieve rifting en bijbehorende vulkanische activiteit in Oost-Afrika, is een absolute leeftijdsdatum (zoals in, we kunnen er een nummer aan vastmaken) geassocieerd met die soort. Omdat de varkensfamilie geologisch snelle veranderingen onderging, kunnen we door die soort te vinden iets zeggen over de leeftijd van de sedimenten in het park.

Meer informatie
1 Isotope Analyses and the Histories of Maize: Robert H. Tykot, hoofdstuk 10 in: J.E. Staller, R.H. Tykot en B.F. Benz (editors), Histories of Maize: Multidisciplinaire benaderingen van de prehistorie, taalkunde, biogeografie, domesticatie en evolutie van maïs, Academic Press (Elsevier), 2009.
2 The Rocks and Minerals of Cape Town: J.S. Compton, Double Storey Books, Kaapstad, Zuid-Afrika, 112 pagina's, 2004.
3 CleanTOPO2: bewerkte SRTM30 Plus World Elevation Data: Tom Patterson, US National Park Service, 2013.
4 Regionale en wereldwijde context van de paleontologische vindplaats Late Cenozoïsche Langebaanweg (LBW): Westkust van Zuid-Afrika: David L. Roberts, et al., Earth-Science Reviews, Volume 106: 3-4, pagina's 191-214, 2011.
5 Het milieu 5-5,2 miljoen jaar geleden: artikel op de website van West Coast Fossil Park, laatst bezocht in december 2016.

Conclusies

Het reconstrueren van een omgeving kan vaak neerkomen op fijne details: isotopische handtekeningen in botten, microkledingpatronen op tanden (krassen op het oppervlak van de tanden kunnen aangeven of het dier een grazer, browser of mixed-mode feeder was), pollenassemblages in sedimenten , enz…

Op dit moment bestaat het park in een mediterraan klimaat en ligt het op meer dan 10 km van de oceaan. Al het gecombineerde bewijs geeft echter aan dat vijf miljoen jaar geleden het West Coast Fossil Park zou hebben bestaan ​​in een subtropisch bos nabij een oude rivier de Berg die uitmondde in de Atlantische Oceaan.

Dierlijke overblijfselen gecombineerd met microscopische en chemische aanwijzingen creëren een samenhangend beeld van hoe deze regio was, hoewel er geen mens in de buurt was om er direct getuige van te zijn. Op deze manier ontrafelen geowetenschappers de mysteries van het vorige leven en klimaat van de aarde.

Tegenwoordig zijn deze fossielen in situ te zien (in plaats) in het West Coast Fossil Park in Zuid-Afrika, en gasten kunnen zelfs helpen het milieubeeld compleet te maken door te zoeken naar microfossielen van vogels, kikkers, knaagdieren en vele andere kleine dieren op zeef -schermen. Alle vondsten worden aan de museumcollecties toegevoegd - bezoekers mogen geen specimens voor zichzelf verzamelen, omdat alle fossielen worden beschermd door de staat in Zuid-Afrika.

West Coast Fossil Park

Het West Coast Fossil Park ligt 120 km ten noorden van Kaapstad in Zuid-Afrika. Hun website bevat veel informatie over de site, gedetailleerde aanwijzingen, informatie over onderzoek dat daar plaatsvindt, evenals educatieve animaties en werkbladen. De auteur van dit artikel bedankt de manager van het Fossil Park, Pippa Haarhoff, voor haar hulp en aanmoediging.

Over de auteur

Alex Guth is gepromoveerd aan de Michigan Technological University en haar proefschrift was gericht op de vulkanische evolutie van de Kenya Rift. Ze heeft de regio West-Kaap in Zuid-Afrika verschillende keren bezocht om haar adviseur te helpen bij het geologische veldkamp, ​​en haar onderzoek in Afrika heeft geleid tot verschillende mogelijkheden om met National Geographic samen te werken. Haar website is te bekijken op: //www.geo.mtu.edu/~alguth/