Ископаемое (от классического латинского ископаемых , букв. «полученное путем раскопок») [1] — это любые сохранившиеся останки, отпечатки или следы какого-либо некогда живого существа из прошлой геологической эпохи . Примеры включают кости , ракушки , экзоскелеты , каменные отпечатки животных или микробов , предметы, сохранившиеся в янтаре, волосы , окаменелое дерево и остатки ДНК . Совокупность окаменелостей известна как летопись окаменелостей .
Палеонтология — это изучение окаменелостей: их возраста, способа образования и эволюционного значения. Образцы обычно считаются окаменелостями, если их возраст превышает 10 000 лет. [2] Возраст самых старых окаменелостей составляет от 3,48 миллиарда лет [3] [4] [5] до 4,1 миллиарда лет. [6] [7] Наблюдение в 19 веке того, что определенные окаменелости были связаны с определенными пластами горных пород , привело к признанию геологической шкалы времени и относительного возраста различных окаменелостей. Развитие методов радиометрического датирования в начале 20 века позволило ученым количественно измерить абсолютный возраст горных пород и находящихся в них окаменелостей.
Существует множество процессов, которые приводят к окаменению , включая перминерализацию , отливки и плесень, аутигенную минерализацию , замещение и рекристаллизацию, сжатие, карбонизацию и биоиммурацию.
Окаменелости различаются по размеру: от бактерий размером в один микрометр (1 мкм) [8] до динозавров и деревьев, длиной в несколько метров и весом во многие тонны. В окаменелостях обычно сохраняется только часть умершего организма, обычно та часть, которая была частично минерализована в течение жизни, например кости и зубы позвоночных животных или хитиновый или известковый экзоскелет беспозвоночных . Окаменелости также могут состоять из следов, оставленных организмом при его жизни, например, следов животных или фекалий ( копролиты ). Эти типы окаменелостей называются следами окаменелостей или ихноокаменелостями , в отличие от окаменелостей тела . Некоторые окаменелости являются биохимическими и называются хемофоссилиями или биосигнатурами .
Хотя летопись окаменелостей неполна, многочисленные исследования показали, что имеется достаточно информации, чтобы дать нам хорошее представление о модели разнообразия жизни на Земле. [9] [10] [11] Кроме того, запись может предсказать и заполнить пробелы, такие как открытие Тиктаалика в арктической части Канады . [12]
Процесс окаменения варьируется в зависимости от типа ткани и внешних условий:
Перминерализация — это процесс окаменения, который происходит при захоронении организма. Пустые пространства внутри организма (пространства, заполненные жидкостью или газом при жизни) заполняются богатыми минералами грунтовыми водами . Минералы выпадают в осадок из грунтовых вод, занимая пустые места. Этот процесс может происходить в очень небольших пространствах, например, внутри клеточной стенки растительной клетки . Мелкомасштабная перминерализация может привести к образованию очень детализированных окаменелостей. [13] Для того, чтобы произошла перминерализация, организм должен покрыться осадком вскоре после смерти, в противном случае останки разрушаются падальщиками или разлагаются. [14] Степень, в которой останки разлагаются при покрытии, определяет более поздние детали окаменелости. Некоторые окаменелости состоят только из останков скелета или зубов; другие окаменелости содержат следы кожи , перьев или даже мягких тканей. [15] Это форма диагенеза .
В некоторых случаях первоначальные остатки организма полностью растворяются или разрушаются иным образом. Оставшееся в камне отверстие в форме организма называется внешней формой . Если эта пустота позже заполняется осадком, полученный слепок будет напоминать внешний вид организма. Эндокаст , или внутренняя плесень , является результатом отложений, заполняющих внутреннюю часть организма, например, внутреннюю часть двустворчатого моллюска , улитки или полость черепа . [16] Эндокастов иногда называют Штейнкернами , особенно когда двустворчатые моллюски сохраняются таким образом. [17]
Это особая форма формирования отливок и форм. Если химия правильная, организм (или фрагмент организма) может действовать как ядро для осаждения минералов, таких как сидерит , в результате чего вокруг него образуются узелки. Если это произойдет быстро, до значительного разрушения органической ткани, можно сохранить очень мелкие трехмерные морфологические детали. Конкреции из каменноугольных отложений ископаемых отложений Мейзон-Крик в Иллинойсе, США, являются одними из лучших документированных примеров такой минерализации. [18]
Замена происходит, когда панцирь, кость или другая ткань заменяется другим минералом. В некоторых случаях минеральное замещение исходной раковины происходит настолько постепенно и в таких мелких масштабах, что особенности микроструктуры сохраняются, несмотря на полную утрату исходного материала. Говорят, что оболочка перекристаллизовалась , когда исходные скелетные соединения все еще присутствуют, но в другой кристаллической форме, например, от арагонита до кальцита . [19]
Сжатые окаменелости , такие как ископаемые папоротники, являются результатом химического восстановления сложных органических молекул, составляющих ткани организма. В этом случае ископаемое состоит из исходного материала, хотя и в геохимически измененном состоянии. Это химическое изменение является выражением диагенеза . Часто то, что остается, представляет собой углеродистую пленку, известную как фитолейм, и в этом случае окаменелость называется сжатием. Однако часто фитолейм теряется, и все, что остается, — это отпечаток организма в породе — отпечаток окаменелости. Однако во многих случаях сдавление и вдавление происходят одновременно. Например, когда горная порода расколота, фитолейм часто будет прикреплен к одной части (сжатие), тогда как аналог будет просто отпечатком. По этой причине один термин охватывает два способа сохранения: сжатие . [20]
Из-за их древности неожиданным исключением из изменения тканей организма путем химического восстановления сложных органических молекул во время окаменелости стало открытие мягких тканей в окаменелостях динозавров, включая кровеносные сосуды, а также выделение белков и доказательств наличия фрагментов ДНК. . [21] [22] [23] [24] В 2014 году Мэри Швейцер и ее коллеги сообщили о наличии частиц железа ( гетит -aFeO(OH)), связанных с мягкими тканями, извлеченными из окаменелостей динозавров. На основании различных экспериментов по изучению взаимодействия железа в гемоглобине с тканью кровеносных сосудов они предположили, что гипоксия раствора в сочетании с хелатированием железа повышает стабильность и сохранность мягких тканей и дает основу для объяснения непредвиденной сохранности ископаемых мягких тканей. [25] Однако более раннее исследование, основанное на восьми таксонах , варьирующихся во времени от девона до юры , показало, что во всех этих окаменелостях сохранились достаточно хорошо сохранившиеся фибриллы, которые, вероятно, представляют собой коллаген , и что качество сохранности зависело в основном от их расположения. коллагеновых волокон с плотной упаковкой, способствующей хорошей сохранности. [26] Судя по всему, в этот период времени не было никакой корреляции между геологическим возрастом и качеством сохранности.
Обугленные или углефицированные окаменелости состоят из органических остатков, которые были восстановлены в основном до химического элемента углерода. Карбонизированные окаменелости состоят из тонкой пленки, образующей силуэт исходного организма, а исходные органические останки обычно представляли собой мягкие ткани. Угольные окаменелости состоят в основном из угля, а первоначальные органические останки обычно имели древесный состав.
Биоиммурация происходит, когда скелетный организм перерастает или иным образом поглощает другой организм, сохраняя последний или его отпечаток внутри скелета. [29] Обычно это сидячий скелетный организм, такой как мшанка или устрица , который растет вдоль субстрата , покрывая других сидячих склеробионтов . Иногда биоиммурованный организм оказывается мягкотелым и затем сохраняется в негативном рельефе как своего рода внешняя форма. Бывают также случаи, когда организм селится поверх живого скелетного организма, который растет вверх, сохраняя поселенца в своем скелете. Биоиммурация известна в палеонтологической летописи от ордовика [30] до современности. [29]
Индексные окаменелости (также известные как окаменелости-индикаторы, окаменелости-индикаторы или окаменелости зон) — это окаменелости, используемые для определения и идентификации геологических периодов (или стадий фауны). Они исходят из того, что, хотя разные отложения могут выглядеть по-разному в зависимости от условий, при которых они отложились, они могут включать останки одного и того же вида окаменелостей. Чем короче временной диапазон существования вида, тем точнее можно соотнести различные отложения, и поэтому окаменелости быстро развивающихся видов особенно ценны. Лучшие окаменелости-индексы распространены, их легко идентифицировать на видовом уровне и они широко распространены, в противном случае вероятность найти и распознать одну из двух отложений мала.
Следы окаменелостей состоят в основном из следов и нор, но также включают копролиты (ископаемые фекалии ) и следы, оставленные в результате питания. [31] [32] Следы окаменелостей особенно важны, поскольку они представляют собой источник данных, который не ограничивается животными с легко окаменелыми твердыми частями, и отражают поведение животных. Многие следы датируются значительно раньше, чем окаменелости тел животных, которые, как считается, были способны их создавать. [33] Хотя точное отнесение следов окаменелостей к их создателям, как правило, невозможно, следы могут, например, служить самым ранним физическим свидетельством появления умеренно сложных животных (сравнимых с дождевыми червями ). [32]
Копролиты классифицируются как следы окаменелостей, а не окаменелости тела, поскольку они свидетельствуют о поведении животного (в данном случае о диете), а не о морфологии. Впервые они были описаны Уильямом Баклендом в 1829 году. До этого они были известны как «ископаемые еловые шишки » и « безоаровые камни». Они служат ценной цели в палеонтологии, поскольку предоставляют прямые доказательства хищничества и питания вымерших организмов. [34] Размер копролитов может варьироваться от нескольких миллиметров до более 60 сантиметров.
Переходное ископаемое — это любые окаменелые останки формы жизни, которая демонстрирует черты, общие как для предковой группы, так и для группы ее производных потомков. [35] Это особенно важно там, где группа потомков резко отличается по грубой анатомии и образу жизни от группы предков. Из-за неполноты летописи окаменелостей обычно невозможно точно узнать, насколько близко переходное ископаемое находится к точке дивергенции. Эти окаменелости служат напоминанием о том, что таксономические подразделения — это человеческие конструкции, которые задним числом были навязаны континууму вариаций.
Микроископаемые — это описательный термин, применяемый к окаменевшим растениям и животным, размер которых находится на уровне, на котором окаменелость можно проанализировать невооруженным глазом, или ниже него. Обычно применяемая граница между «микро» и «макро» окаменелостями составляет 1 мм. Микрофоссилии могут быть либо полноценными (или почти полными) организмами сами по себе (например, морские планктеры, фораминиферы и кокколитофоры ), либо составными частями (например, маленькие зубы или споры ) более крупных животных или растений. Микрофоссилии имеют решающее значение как резервуар палеоклиматической информации, а также обычно используются биостратиграфами для корреляции горных пород.
Ископаемая смола (в просторечии называемая янтарем ) — природный полимер , встречающийся во многих типах пластов по всему миру, даже в Арктике . Самая старая ископаемая смола датируется триасом , хотя большинство из них относится к кайнозою . Считается, что выделение смолы некоторыми растениями является эволюционной адаптацией для защиты от насекомых и заживления ран. Ископаемая смола часто содержит другие окаменелости, называемые включениями, которые были захвачены липкой смолой. К ним относятся бактерии, грибы, другие растения и животные. Животные включения обычно представляют собой мелких беспозвоночных , преимущественно членистоногих, таких как насекомые и пауки, и лишь крайне редко позвоночных, таких как небольшая ящерица. Сохранность включений может быть превосходной, включая небольшие фрагменты ДНК .
Производное , переработанное или реманиозное ископаемое — это ископаемое, найденное в горной породе, которое накопилось значительно позже , чем когда окаменелое животное или растение умерло. [36] Переработанные окаменелости создаются в результате эрозионной эксгумации (освобождения) окаменелостей из горной породы, в которой они первоначально отложились, и их повторного отложения в более молодых осадочных отложениях.
Ископаемая древесина – это древесина, сохранившаяся в летописи окаменелостей. Древесина обычно является той частью растения, которая лучше всего сохраняется (и ее легче всего найти). Ископаемая древесина может быть окаменелой , а может и не быть . Ископаемая древесина, возможно, единственная сохранившаяся часть растения; [37] поэтому такая древесина может получить особое ботаническое название . Обычно это включает в себя «ксилон» и термин, указывающий на его предполагаемое родство, например, араукариоксилон (древесина араукарии или какого-либо родственного рода), пальмоксилон (древесина неопределенной пальмы ) или кастаноксилон (древесина неопределенного чинкапина ). [38]
Термин «субокаменелость» может использоваться для обозначения останков, таких как кости, гнезда или отложения фекалий , процесс окаменения которых не завершен либо потому, что продолжительность жизни животного слишком коротка, либо потому, что условия, в которых Захороненные останки не были оптимальными для окаменения. [39] Субфоссилии часто находят в пещерах или других убежищах, где они могут сохраняться в течение тысяч лет. [40] Основное значение субископаемых останков по сравнению с ископаемыми останками заключается в том, что первые содержат органический материал, который можно использовать для радиоуглеродного датирования или экстракции и секвенирования ДНК , белка или других биомолекул. Кроме того, соотношения изотопов могут предоставить много информации об экологических условиях, в которых жили вымершие животные. Субфоссилии полезны для изучения истории эволюции окружающей среды и могут иметь важное значение для исследований в области палеоклиматологии .
Субфоссилии часто встречаются в отложениях, таких как отложения озер, океанические отложения и почвы. После отложения физическое и химическое выветривание может изменить состояние сохранности, а небольшие субфоссилии также могут быть проглочены живыми организмами . Субфоссильные остатки мезозоя исключительно редки, обычно находятся на поздней стадии разложения и, следовательно, вызывают много споров. [41] Подавляющая часть субископаемого материала происходит из четвертичных отложений, включая множество субфоссилизированных головных капсул хирономид , панцирей остракод , диатомей и фораминифер .
Для останков, таких как морские ракушки моллюсков, которые часто не меняют свой химический состав в течение геологического времени, а иногда даже могут сохранять такие особенности, как исходная цветовая маркировка, в течение миллионов лет, ярлык «субокаменелости» применяется к раковинам, которые считаются им тысячи лет, но они относятся к голоценовому возрасту и, следовательно, недостаточно стары, чтобы принадлежать к эпохе плейстоцена . [ нужна цитата ]
Химические окаменелости, или хемофоссилии, — это химические вещества, обнаруженные в горных породах и ископаемом топливе (нефти, угле и природном газе), которые обеспечивают органический признак древней жизни. Молекулярные окаменелости и соотношения изотопов представляют собой два типа химических окаменелостей. [42] Самые старые следы жизни на Земле — это окаменелости этого типа, включая аномалии изотопов углерода, обнаруженные в цирконах , которые предполагают существование жизни еще 4,1 миллиарда лет назад. [6] [7]
Палеонтология стремится отобразить, как жизнь развивалась в геологическом времени. Существенным препятствием является сложность определения возраста ископаемых. Слои, в которых сохранились окаменелости, обычно не содержат радиоактивных элементов, необходимых для радиометрического датирования . Этот метод — наш единственный способ придать абсолютный возраст камням возрастом более 50 миллионов лет, и его точность может достигать 0,5% или выше. [43] Хотя радиометрическое датирование требует тщательной лабораторной работы, его основной принцип прост: известны скорости распада различных радиоактивных элементов , поэтому отношение радиоактивного элемента к продуктам его распада показывает, как давно радиоактивный элемент был включен в состав рок. Радиоактивные элементы распространены только в породах вулканического происхождения, поэтому единственные породы, содержащие окаменелости, которые можно датировать радиометрически, — это слои вулканического пепла, которые могут служить окончаниями промежуточных отложений. [43]
Следовательно, палеонтологи полагаются на стратиграфию для датировки окаменелостей. Стратиграфия – это наука о расшифровке «слоеного пирога», то есть осадочной пластинки. [44] Породы обычно образуют относительно горизонтальные слои, причем каждый слой моложе, чем тот, что находится под ним. Если ископаемое находится между двумя слоями, возраст которых известен, утверждается, что возраст ископаемого находится между двумя известными возрастами. [45] Поскольку последовательности горных пород не являются непрерывными, а могут быть разбиты разломами или периодами эрозии , очень трудно сопоставить пласты горных пород, которые не находятся непосредственно рядом. Однако окаменелости видов, выживавших в течение относительно короткого времени, можно использовать для сопоставления изолированных пород: этот метод называется биостратиграфией . Например, конодонт Eoplacognathus pseudoplanus имеет небольшой ареал в среднем ордовике. [46] Если породы неизвестного возраста имеют следы E. pseudoplanus , они имеют средний ордовикский возраст. Чтобы быть полезными, такие индексные окаменелости должны быть отличительными, быть распространенными по всему миру и занимать короткий временной интервал. Вводящие в заблуждение результаты получаются, если индексные окаменелости датированы неправильно. [47] Стратиграфия и биостратиграфия в целом могут обеспечить только относительную датировку ( A была до B ), чего часто достаточно для изучения эволюции. Однако в некоторые периоды времени это сложно из-за проблем, связанных с сопоставлением пород одного возраста на разных континентах . [47] Отношения генеалогического древа также помогают сузить дату первого появления родословной. Например, если окаменелости B или C датируются X миллионов лет назад и вычисленное «генеалогическое древо» говорит, что A был предком B и C, то A, должно быть, развился раньше.
Также возможно оценить, как давно разошлись две ныне живущие клады, другими словами, примерно, как давно должен был жить их последний общий предок, предполагая, что мутации ДНК накапливаются с постоянной скоростью. Эти « молекулярные часы », однако, ошибочны и обеспечивают лишь приблизительное время: например, они недостаточно точны и надежны для оценки того, когда впервые появились группы, участвующие в кембрийском взрыве , [48] и оценки, полученные с помощью различных методов. может отличаться в два раза. [49]
Организмы лишь в редких случаях сохраняются в виде окаменелостей и при самых благоприятных обстоятельствах, и лишь небольшая часть таких окаменелостей была обнаружена. Это иллюстрируется тем фактом, что количество видов, известных по летописи окаменелостей, составляет менее 5% от числа известных живых видов, а это позволяет предположить, что количество видов, известных по окаменелостям, должно быть намного меньше 1% всех видов, которые когда-либо жили. [50] Из-за особых и редких обстоятельств, необходимых для окаменения биологической структуры, можно ожидать, что только небольшой процент форм жизни будет представлен в открытиях, и каждое открытие представляет собой лишь снимок процесса эволюции. Сам переход может быть проиллюстрирован и подтвержден только переходными окаменелостями, которые никогда не смогут продемонстрировать точную половину пути. [51]
Летопись окаменелостей сильно смещена в сторону организмов с твердыми частями, в результате чего большинство групп организмов с мягким телом практически не играют никакой роли. [50] Он изобилует моллюсками , позвоночными , иглокожими , брахиоподами и некоторыми группами членистоногих . [52]
Местонахождения окаменелостей исключительной сохранности, иногда включающие сохранившиеся мягкие ткани, известны как Lagerstätten , что по-немецки означает «места хранения». Эти образования могли возникнуть в результате захоронения туш в бескислородной среде с минимальным количеством бактерий, что замедляло разложение. Лагерштеттены охватывают геологический период от кембрийского периода до наших дней . Во всем мире одними из лучших примеров почти идеального окаменения являются кембрийские сланцы Маотяньшань и сланцы Берджесс , девонские сланцы Хунсрюк , юрские известняки Зольнхофена и каменноугольные месторождения Мазон-Крик .
Строматолиты — слоистые аккреционные структуры , образующиеся на мелководье путем захвата, связывания и цементации осадочных зерен биопленками микроорганизмов , особенно цианобактерий . [53] Строматолиты представляют собой одни из самых древних ископаемых свидетельств жизни на Земле, датируемые более 3,5 миллиардов лет назад. [54]
В докембрийское время строматолитов было гораздо больше. В то время как более древние архейские ископаемые останки предположительно представляют собой колонии цианобактерий , более молодые ( то есть протерозойские ) окаменелости могут быть первичными формами эукариотных хлорофитов ( то есть зеленых водорослей ). Одним из родов строматолитов, очень распространенных в геологических летописях, является Collenia . Самый ранний строматолит подтвержденного микробного происхождения датируется 2,724 миллиарда лет назад. [55]
Открытие 2009 года предоставляет убедительные доказательства того, что микробные строматолиты существовали еще 3,45 миллиарда лет назад. [56] [57]
Строматолиты являются основным компонентом летописи окаменелостей в течение первых 3,5 миллиардов лет жизни, достигнув пика около 1,25 миллиарда лет назад. [56] Впоследствии их численность и разнообразие сократились, [58] которое к началу кембрия упало до 20% от своего пика. Наиболее широко поддерживаемое объяснение состоит в том, что строители строматолитов стали жертвами пасущихся существ ( кембрийская революция субстрата ), подразумевая, что достаточно сложные организмы были обычным явлением более 1 миллиарда лет назад. [59] [60] [61]
Связь между численностью травоядных и строматолитов хорошо документирована в эволюционной радиации более молодого ордовика ; Численность строматолитов также увеличилась после того, как вымирания в конце ордовика и в конце перми уничтожили морских животных, и упало до более раннего уровня по мере восстановления морских животных. [62] Колебания численности и разнообразия многоклеточных животных , возможно, не были единственным фактором сокращения численности строматолитов. Причиной изменений могли быть такие факторы, как химия окружающей среды. [63]
Хотя сами прокариотические цианобактерии размножаются бесполым путем посредством деления клеток, они сыграли важную роль в подготовке среды для эволюционного развития более сложных эукариотических организмов. Считается, что цианобактерии (а также экстремофильные гаммапротеобактерии ) в значительной степени ответственны за увеличение количества кислорода в первичной атмосфере Земли посредством продолжающегося фотосинтеза . Цианобактерии используют воду , углекислый газ и солнечный свет для создания пищи. Слой слизи часто образуется поверх матов цианобактериальных клеток. В современных микробных матах мусор из окружающей среды обитания может задерживаться внутри слизи, которая может цементироваться карбонатом кальция, образуя тонкие пластинки известняка . Эти пластинки могут со временем срастаться, в результате чего образуется полосатый рисунок, характерный для строматолитов. Купольная морфология биологических строматолитов является результатом вертикального роста, необходимого для непрерывного проникновения солнечного света в организмы для фотосинтеза. Слоистые сферические структуры роста, называемые онколитами , похожи на строматолиты и также известны из летописи окаменелостей . Тромболиты представляют собой плохо слоистые или неслоистые сгустковые структуры, образованные цианобактериями, распространенными в летописи окаменелостей и в современных отложениях. [55]
Район каньона реки Зебра платформы Кубис в глубоко расчлененных горах Зарис на юго-западе Намибии представляет собой чрезвычайно хорошо обнаженный пример тромболит-строматолит-метазойных рифов, которые развивались в протерозойский период, причем строматолиты здесь лучше развиты в местах, расположенных вверх по падению, в условиях более высоких скоростей течений и большего притока наносов. [64]
Было высказано предположение, что биоминералы могут быть важными индикаторами внеземной жизни и, таким образом, могут играть важную роль в поисках прошлой или настоящей жизни на планете Марс . Кроме того, считается, что органические компоненты ( биосигнатуры ), которые часто связаны с биоминералами, играют решающую роль как в пребиотических, так и в биотических реакциях. [65]
24 января 2014 года НАСА сообщило, что текущие исследования марсоходов Curiosity и Opportunity на Марсе теперь будут направлены на поиск доказательств древней жизни, включая биосферу, основанную на автотрофных , хемотрофных и/или хемолитоавтотрофных микроорганизмах , а также древнюю воду, в том числе речную . -озерные среды ( равнины , связанные с древними реками или озерами ), которые могли быть пригодными для жизни . [66] [67] [68] [69] Поиск доказательств обитаемости , тафономии (связанной с окаменелостями) и органического углерода на планете Марс в настоящее время является основной целью НАСА . [66] [67]
Псевдоокаменелости — это визуальные узоры в горных породах, возникшие в результате геологических, а не биологических процессов. Их легко принять за настоящие окаменелости. Некоторые псевдоокаменелости, такие как геологические дендритные кристаллы, образуются в результате естественных трещин в породе, которые заполняются просачивающимися минералами. Другими типами псевдоокаменелостей являются почки (круглые формы в железной руде) и моховые агаты , которые выглядят как мох или листья растений. Конкременты , сферические или овоидные конкреции, обнаруженные в некоторых осадочных слоях, когда-то считались яйцами динозавров , и их часто принимают за окаменелости.
Сбор окаменелостей датируется, по крайней мере, началом письменной истории. Сами окаменелости называются летописью окаменелостей. Летопись окаменелостей была одним из первых источников данных, лежащих в основе изучения эволюции, и продолжает иметь отношение к истории жизни на Земле . Палеонтологи изучают летопись окаменелостей, чтобы понять процесс эволюции и то, как развивались отдельные виды .
Окаменелости были заметны и распространены на протяжении большей части естественной истории, поэтому документально подтвержденное взаимодействие человека с ними восходит к письменной истории или даже раньше.
В Европе существует множество примеров палеолитических каменных ножей с ископаемыми иглокожими , расположенными точно на рукоятке, восходящих к Homo heidelbergensis и неандертальцам . [70] Эти древние народы также просверливали отверстия в центре этих круглых ископаемых раковин, по-видимому, используя их в качестве бусинок для ожерелий.
Древние египтяне собирали окаменелости видов, напоминающих кости современных видов, которым они поклонялись. Бог Сет ассоциировался с гиппопотамом , поэтому в храмах этого божества хранились окаменелые кости бегемоподобных видов. [71] Пятилучевые ископаемые раковины морских ежей были связаны с божеством Сопду , Утренней звездой, эквивалентом Венеры в римской мифологии. [70]
Окаменелости, по-видимому, внесли непосредственный вклад в мифологию многих цивилизаций, включая древних греков. Классический греческий историк Геродот писал о местности недалеко от Гипербореи , где грифоны охраняли золотые сокровища. В этом районе действительно велась добыча золота , где черепа клювистых протоцератопсов были обычным явлением в виде окаменелостей.
Более поздний греческий ученый Аристотель в конце концов понял, что ископаемые морские ракушки из камней похожи на те, что были найдены на пляже, что указывает на то, что окаменелости когда-то были живыми животными. Ранее он объяснял их с точки зрения паровых выдохов , [72] которые персидский эрудит Авиценна модифицировал в теорию окаменения жидкостей ( succus lapidificatus ). Признание того, что ископаемые морские ракушки происходят из моря, было основано в 14 веке Альбертом Саксонским и принято в той или иной форме большинством натуралистов к 16 веку. [73]
Римский натуралист Плиний Старший писал о « камнях языка », которые он называл глоссопетрами . Это были ископаемые зубы акулы, которые в некоторых классических культурах считались похожими на языки людей или змей. [74] Он также писал о рогах Аммона , которые представляют собой ископаемые аммониты , откуда группа осьминогов с панцирем в конечном итоге получила свое современное название. Плиний также делает одно из ранее известных упоминаний о жабах , которые до 18 века считались магическим лекарством от яда, происходящего из голов жаб, но которые представляют собой ископаемые зубы лепидотов , меловой лучепёрой рыбы. [75]
Считается, что у равнинных племен Северной Америки окаменелости, такие как многие неповрежденные окаменелости птерозавров, естественно обнаруженные в этом регионе, связаны с их собственной мифологией о громовой птице . [76]
В доисторической Африке не существует такой прямой мифологической связи, но есть немало свидетельств того, что племена там раскапывали и перемещали окаменелости в церемониальные места, по-видимому, относясь к ним с некоторым почтением. [77]
В Японии зубы ископаемых акул ассоциировались с мифическими тенгу , которые считались острыми, как бритва, когтями этого существа, задокументированными спустя некоторое время после 8-го века нашей эры. [74]
В средневековом Китае ископаемые кости древних млекопитающих, в том числе человека прямоходящего, часто принимали за « кости дракона » и использовали в качестве лекарств и афродизиаков . Кроме того, некоторые из этих ископаемых костей собираются как «предметы искусства» учеными, которые оставили надписи на различных артефактах с указанием времени их добавления в коллекцию. Хорошим примером является известный ученый Хуан Тинцзянь из династии Сун в 11 веке, который хранил особую окаменелость морской ракушки, на которой было выгравировано его собственное стихотворение. [78] В своих «Очерках бассейна снов» , опубликованных в 1088 году, китайский учёный и официальный представитель династии Сун Шэнь Го выдвинул гипотезу, что морские окаменелости, найденные в геологическом слое гор, расположенных в сотнях миль от Тихого океана, являются свидетельством того, что там когда-то существовало доисторическое морское побережье и менялись на протяжении столетий . [79] [80] Его наблюдения за окаменевшим бамбуком в засушливой северной климатической зоне того места, где сейчас находится Яньань , провинция Шэньси , Китай, привели его к выдвижению ранних идей постепенного изменения климата из-за бамбука, естественно растущего в районах с более влажным климатом. [80] [81] [82]
В средневековом христианском мире окаменелые морские существа на склонах гор рассматривались как доказательство библейского потопа из Ноева ковчега . Наблюдая за существованием ракушек в горах, древнегреческий философ Ксенофан (ок. 570–478 до н. э.) предположил, что когда-то мир был затоплен великим наводнением, которое похоронило живые существа в засыхающей грязи. [83] [84]
В 1027 году персидский Авиценна объяснил каменистость окаменелостей в «Книге исцеления» :
Если то, что сказано об окаменении животных и растений, верно, то причиной этого (феномена) является мощная минерализующая и окаменевающая сила, которая возникает в определенных каменистых местах или исходит внезапно из земли при землетрясении и оседаниях и окаменевает все, что приходит. вступить с ним в контакт. В сущности, окаменение тел растений и животных не более необычно, чем превращение вод. [85]
С 13-го века до наших дней ученые отмечали, что ископаемые черепа Deinotherium giganteum , найденные на Крите и в Греции, могли быть интерпретированы как черепа циклопов из греческой мифологии и, возможно, являются источником этого греческого мифа. . [86] [87] Их черепа, кажется, имеют единственное глазное отверстие спереди, как и их современные родственники -слоны , хотя на самом деле это отверстие для их хобота.
В скандинавской мифологии раковины иглокожих (круглая пятичастная пуговица, оставшаяся от морского ежа) ассоциировались с богом Тором и не только включались в громовые камни , изображения молота Тора и последующие кресты в форме молота, когда было принято христианство, но и также держат в домах, чтобы обеспечить защиту Тора. [70]
Из них выросли пастушьи короны из английского фольклора, которые использовались для украшения и в качестве талисманов на удачу и размещались у дверей домов и церквей. [88] В Саффолке другой вид использовался в качестве талисмана удачи пекарями, которые называли их волшебными хлебами, связывая их с буханками хлеба аналогичной формы, которые они пекли. [89] [90]
Более научные взгляды на окаменелости возникли в эпоху Возрождения . Леонардо да Винчи согласился с мнением Аристотеля о том, что окаменелости являются остатками древней жизни. [91] : 361 Например, Леонардо заметил расхождения с библейским повествованием о потопе как объяснение происхождения ископаемых:
Если бы Потоп разнес раковины на расстояние трех-четырехсот миль от моря, он бы смешал их с различными другими природными объектами и свалил бы их в кучу; но даже на таком расстоянии от моря мы видим всех устриц вместе, а также моллюсков, каракатиц и всех других ракушек, собравшихся вместе, найденных все вместе мертвыми; и одиночные раковины встречаются отдельно друг от друга, какими мы видим их каждый день на морских берегах.
И мы находим устриц вместе очень большими семьями, среди которых можно увидеть у некоторых раковины, все еще соединенные вместе, что указывает на то, что они были оставлены там морем и что они еще были живы, когда был прорезан Гибралтарский пролив. В горах Пармы и Пьяченцы можно увидеть множество ракушек и кораллов с дырочками, все еще прилипших к камням... [92]
В 1666 году Николас Стено исследовал акулу и связал ее зубы с «языковыми камнями» древней греко-римской мифологии, заключив, что на самом деле это были не языки ядовитых змей, а зубы каких-то давно вымерших существ. вид акулы. [74]
Роберт Гук (1635–1703) включил микрофотографии окаменелостей в свою «Микрографию» и был одним из первых, кто наблюдал ископаемые формы . Его наблюдения за окаменелостями, которые, по его словам, представляют собой окаменелые останки существ, некоторые из которых больше не существовали, были опубликованы посмертно в 1705 году. [93]
Уильям Смит (1769–1839) , английский инженер каналов, заметил, что в породах разного возраста (на основании закона суперпозиции ) сохранились разные совокупности окаменелостей, и что эти совокупности следовали друг за другом в регулярном и определяемом порядке. Он заметил, что камни из отдаленных мест можно сопоставить на основе содержащихся в них окаменелостей. Он назвал это принципом преемственности фауны . Этот принцип стал одним из главных дарвиновских доказательств реальности биологической эволюции.
Жорж Кювье пришел к выводу, что большинство, если не все, окаменелости животных, которые он исследовал, были остатками вымерших видов. Это привело Кювье к тому, что он стал активным сторонником геологической школы мысли, называемой катастрофизмом . Ближе к концу своей статьи 1796 года о живых и ископаемых слонах он сказал:
Все эти факты, согласующиеся между собой и не противоречащие никаким сообщениям, кажутся мне доказательством существования мира, предшествующего нашему, разрушенного какой-то катастрофой. [94]
Интерес к окаменелостям и геологии в целом расширился в начале девятнадцатого века. В Великобритании открытия Мэри Эннинг окаменелостей, в том числе первого полного ихтиозавра и полного скелета плезиозавра , вызвали общественный и научный интерес. [95]
Ранние натуралисты хорошо понимали сходства и различия современных видов, что привело Линнея к разработке иерархической системы классификации, которая используется до сих пор. Дарвин и его современники впервые связали иерархическую структуру древа жизни с тогда еще очень скудной летописью окаменелостей. Дарвин красноречиво описал процесс происхождения с модификациями, или эволюцию, в ходе которой организмы либо адаптируются к естественным и изменяющимся воздействиям окружающей среды, либо погибают.
Когда Дарвин писал «Происхождение видов посредством естественного отбора, или сохранение избранных рас в борьбе за жизнь» , древнейшими окаменелостями животных были окаменелости кембрийского периода, возраст которых, как теперь известно, составляет около 540 миллионов лет. Его беспокоило отсутствие более старых окаменелостей из-за последствий для достоверности его теорий, но он выразил надежду, что такие окаменелости будут найдены, отметив, что: «только небольшая часть мира известна точно». Дарвин также размышлял над внезапным появлением многих групп (т.е. типов ) в древнейших известных кембрийских ископаемых слоях. [96]
Со времен Дарвина летопись окаменелостей увеличилась до 2,3–3,5 миллиардов лет. [97] Большинство этих докембрийских окаменелостей представляют собой микроскопические бактерии или микроокаменелости . Однако сейчас известны макроскопические окаменелости позднего протерозоя. Биота Эдиакары (также называемая вендской биотой), датируемая 575 миллионами лет назад, в совокупности представляет собой богато разнообразную совокупность ранних многоклеточных эукариот .
Летопись окаменелостей и последовательность фауны составляют основу науки биостратиграфии или определения возраста горных пород на основе залегающих в них окаменелостей. В течение первых 150 лет геологии биостратиграфия и суперпозиция были единственными средствами определения относительного возраста горных пород. Геологическая шкала времени была разработана на основе относительного возраста пластов горных пород, определенного ранними палеонтологами и стратиграфами .
С первых лет двадцатого века методы абсолютного датирования , такие как радиометрическое датирование (включая ряды калия/аргона , аргона/аргона , урана и, для самых недавних окаменелостей, радиоуглеродное датирование ), использовались для проверки относительного возраста, полученного методом окаменелостей и определить абсолютный возраст многих окаменелостей. Радиометрическое датирование показало, что возраст самых ранних известных строматолитов превышает 3,4 миллиарда лет.
Летопись окаменелостей — это эволюционная эпопея жизни, которая разворачивалась на протяжении четырех миллиардов лет, пока условия окружающей среды и генетический потенциал взаимодействовали в соответствии с естественным отбором.
Виртуальный музей окаменелостей [98]
Палеонтология объединилась с эволюционной биологией , чтобы разделить междисциплинарную задачу по описанию древа жизни, которое неизбежно ведет назад во времени к докембрийской микроскопической жизни, когда развивались клеточная структура и функции. Глубокое время существования Земли в протерозое и еще глубже в архее «описывается только с помощью микроскопических окаменелостей и тонких химических сигналов». [99] Молекулярные биологи, используя филогенетику , могут сравнивать гомологию аминокислотных или нуклеотидных последовательностей белков (т.е. сходство) для оценки таксономии и эволюционных расстояний между организмами с ограниченной статистической достоверностью. С другой стороны, изучение окаменелостей может более точно определить, когда и в каком организме впервые появилась мутация. Филогенетика и палеонтология работают вместе, проясняя все еще смутные представления науки о появлении жизни и ее эволюции. [100]
Исследование Найлсом Элдриджем рода трилобитов Phacops подтвердило гипотезу о том, что изменения в расположении глазных линз трилобита происходили урывками на протяжении миллионов лет в девонском периоде . [101] Интерпретация Элдриджем летописи окаменелостей Факопса заключалась в том, что окаменели последствия изменений хрусталика, а не быстро происходящий эволюционный процесс. Эти и другие данные побудили Стивена Джея Гулда и Найлза Элдриджа опубликовать свою основополагающую статью о прерывистом равновесии в 1971 году.
Синхротронный рентгеновский томографический анализ ранних кембрийских двусторонних эмбриональных микрокаменелостей позволил по-новому взглянуть на эволюцию многоклеточных животных на самых ранних стадиях. Метод томографии обеспечивает ранее недостижимое трехмерное разрешение на границах окаменения. Окаменелости двух загадочных двулатерий, червеобразной Markuelia и предполагаемого примитивного протостома Pseudooides , позволяют взглянуть на эмбриональное развитие зародышевого листка . Эти эмбрионы возрастом 543 миллиона лет подтверждают появление некоторых аспектов развития членистоногих раньше, чем считалось ранее, в позднем протерозое. Сохранившиеся эмбрионы из Китая и Сибири подверглись быстрой диагенетической фосфатизации, что привело к превосходной сохранности, включая клеточные структуры. [ жаргон ] Это исследование является ярким примером того, как знания, закодированные в летописи окаменелостей, продолжают предоставлять недостижимую иначе информацию о возникновении и развитии жизни на Земле. Например, исследование предполагает, что Markuelia имеет самое близкое родство с червями-приапулидами и соседствует с эволюционным ветвлением Priapulida , Nematoda и Arthropoda . [102] [ жаргон ]
Несмотря на значительные успехи в обнаружении и идентификации палеонтологических образцов, общепринято, что летопись окаменелостей крайне неполна. [103] [104] Подходы к измерению полноты летописи окаменелостей были разработаны для многочисленных подмножеств видов, включая те, которые сгруппированы таксономически, [105] [106] по времени, [107] по экологическим/географическим признакам, [108] или в сумме . [109] [110] Это охватывает область тафономии и изучение систематических ошибок в палеонтологических записях. [111] [112] [113]
Согласно одной из гипотез, коринфская ваза VI века до нашей эры является старейшим художественным свидетельством окаменелости позвоночного животного, возможно, миоценового жирафа, в сочетании с элементами других видов. [114] Однако последующее исследование с использованием искусственного интеллекта и экспертные оценки опровергли эту идею, поскольку у млекопитающих нет глазных костей, показанных у нарисованного монстра. Морфологически вазопись соответствует плотоядной рептилии семейства Varanidae, которая до сих пор обитает в регионах, заселенных древнегреческой территорией. [115]
Торговля ископаемыми – это практика покупки и продажи ископаемых. Часто это делается незаконно с артефактами, украденными из исследовательских центров, что ежегодно приводит к потере многих важных научных образцов. [116] Проблема весьма выражена в Китае, где многие экземпляры были украдены. [117]
Сбор окаменелостей (иногда, в ненаучном смысле, охота за окаменелостями) — это сбор окаменелостей для научных исследований, хобби или получения прибыли. Сбор окаменелостей, практикуемый любителями, является предшественником современной палеонтологии, и многие до сих пор собирают окаменелости и изучают их как любители. Профессионалы и любители собирают окаменелости ради их научной ценности.
Использование окаменелостей для решения проблем со здоровьем уходит корнями в традиционную медицину и включает использование окаменелостей в качестве талисманов . Конкретное ископаемое, которое можно использовать для облегчения или лечения болезни, часто основано на его сходстве с симптомами или пораженным органом. Полезность окаменелостей в качестве лекарства почти полностью является эффектом плацебо , хотя ископаемый материал, возможно, может обладать некоторой антацидной активностью или поставлять некоторые необходимые минералы . [118] Использование костей динозавров в качестве «костей дракона» сохранилось в традиционной китайской медицине до наших дней, причем кости динозавров середины мелового периода использовались для этой цели в округе Руян в начале 21 века. [119]
ископаемое, состоящее из каменистой массы, попавшей в полый природный объект (например, раковину двустворчатого моллюска) в виде грязи или осадка, консолидировалось и осталось в виде слепка после растворения плесени