化石

過去の気候と生態系を理解する

過去の気候と生態系を理解する



南アフリカ、West Coast Fossil Parkの中期-鮮新世堆積物の事例研究アレクサンドラ・ガス、ミシガン工科大学

環境の再構築: 科学者は、地球の過去を理解するために多くの証拠を組み合わせます。化石(A)は、どの動物がその地域に住んでいたかを具体的に示していますが、骨を取り囲む堆積物は堆積環境に関する重要な手がかりを提供します。骨は、同位体組成についてさらに分析できます。これは、動物が生きている間にどの植物を消費したかによって影響を受けます(B)。さらに、植物から放出される花粉は地質学的記録に容易に保存される傾向があり、過去の花のコミュニティの詳細な記録を提供します。これらのすべての証拠を組み合わせて、数百万年前に存在していた環境の詳細な再構築を作成できます(C)。

西海岸化石公園: アフリカの標高(1)を示すロケーションマップ、南アフリカの西ケープ州(2)を拡大。マップ2では、南のオレンジ色の星がケープタウンの場所であり、北の青い星が西海岸の化石公園を表しています。サブセット領域3は、現在の海面状態(3A)と、海面が現在よりも30メートル高い(3B)520万年前の状況を表示するように拡張されています。当時、化石公園が占めていた場所は、古代のベルク川が空になった海岸近くにあったでしょう。アフリカのベースマップの標高はCleanTOPO2データセットから取得され、衛星画像は2000年頃のNASAのLandsat GeoCoverです。

前書き

人々が状況を目撃して記録する前に、古代の地球がどのようなものであったかをどのようにして知るのでしょうか?地球科学者が過去の気候と生態系を解明する主な方法の1つは、古代の動植物の保存された遺跡を含む堆積物の詳細な調査を行うことです。

化石の形成は一般的にまれな発生であるため、濃縮された、または非常に詳細な化石遺跡のポケットを見つけることは科学的に価値があります。その多様性または詳細が注目に値する化石堆積物は、ラガーシュテッテン(「マザーロード」または「保管場所」のドイツ語)と呼ばれ、2つの主なタイプに分けることができます。

Konservat-Lagerstättenは、生物の細部が存在する場所です 保存された (ドイツ語とイタリック体の英語版の類似点に注意してください)。このようなサイトでは、通常は腐敗する生物の柔らかい部分が印象またはカーボンフィルムとして記録されます。そのような鉱床のよく知られた例は、ブリティッシュコロンビア州のバージェス頁岩と米国西部のグリーンリバーフォーメーションです。

2番目の品種はKonzentrat-Lagerstätteです。 濃度 骨の。これらのサイトは生物の詳細をあまり提供していませんが、通常は広範囲に広がる動物の骨を集中させることにより、古代の生態系を垣間見ることができます。例としては、ユタ州の恐竜国定公園でのジュラ紀時代のモリソン層の露出、カリフォルニア州の1500万年から1600万歳のシャークトゥースヒルボーンベッドなどがあります。

Konzentrat-Lagerstättenのもう1つの例は、南アフリカのWest Coast Fossil ParkのLangebaanweg層の堆積物にあります。これらの化石層内の多数の遺物は、約500万年前の地域の生物群集と気候に関する重要な情報を提供します。

サイトの発見と開発

もともとリン鉱であった化石は、1950年代後半に発見されました。リン酸は今日、主に肥料での使用のために採掘されており、リン酸はソフトドリンクで一般的に使用されています。しかし、これらの岩石は当初、第二次世界大戦の兵器で使用するために採掘されました。

堆積性リン酸塩堆積物は、現代の大陸棚のような海洋生物生産性の高い地域で生産されます。この場合の海面の状態の変化により、以前は水面下にあった地域が陸地に露出し、検出と発掘のためにアクセス可能になりました。化石サイトでの活発な採掘は、鉱山が閉鎖された1993年に停止し、化石が発見されたエリアは国定史跡として確保されました(まもなく国定遺産になります)。鉱業活動により、このサイトの化石の80%が破壊された可能性がありますが、南アフリカのIziko Museumのコレクションには、推定で100万個の標本が保存されています。

有機物質を含むリン酸塩岩: リン酸塩岩の隣のセンチメートルスケール。赤い粒子はリン酸塩処理された有機材料を表しています。 Alexandra Guthによる写真。

Konzentrat-Lagerstätteの形成

化石化プロセスは、死にかけ、定位置に埋まっている動物として視覚化するのが一般的です。一部の動物は、その場所に存在していたflood濫原で直接死亡しましたが、西海岸の化石公園の遺跡の多くは、時間の経過とともにこの単一の場所で水によって移動および濃縮されました。

おそらく、ベルク川の「祖先」は、骨が堆積したときに、現在の公園の近くの大西洋に注がれました。沖合の砂州は、遺物が海に流されないようにしている可能性があり、同時に海から洗い流された遺物を捕らえるように作用した可能性もあります。

環境の再構築

さまざまな動植物には、さまざまな生息地のニーズがあります。したがって、遺跡を特定して現在のコミュニティを確立すると、過去の生態系に関する手がかりが得られます。この作業は、完全に絶滅した動物相を代表する堆積物(ジュラ紀モリソン層の恐竜のような)にとってより困難になりますが、西海岸化石公園の遺跡は500万年前の「わずか」です。公園で保存されている種のほとんどは絶滅していますが、現代の種と密接に関連しています。

動物を識別するという点では、個体を確実に識別するために個人の骨の100%は必要ありません。特に骨が分断されて輸送されているコンツェントラート・ラーガーシュテッテンでは、骨格全体が一般的に見られないため、これは特に重要です。輸送中に小さな繊細な骨が破壊される一方で、より厚くて頑丈な骨はそのまま残る可能性が高いという、追加の保存バイアスがしばしばあります。これらの困難にもかかわらず、古生物学者は、古代のコミュニティを描くために骨の分類と特定に非常に成功しています。

West Coast Fossil Parkで見つかった動物は、海洋動物(アザラシ、メガロドンサメ、4種のペンギン)と陸上哺乳類(例:首の短いキリン、ツチブタ)の両方を考えると、この地域は陸と海の境界近くにあったことを示しています、ハイエナ、カバ、マンモス、カモシカ、3本のつま先の馬、剣歯猫)が一緒に見つかりました。カエルの追加の存在(少なくとも8種、おそらく12種もの種が堆積物に含まれています)は、新鮮な水が残っていたことを示しています。多くのカエル種は生理食塩水に対してある程度の耐性を示しますが、純粋な海洋生息地に生息する両生類は知られていません。

骨ベッド: 南アフリカの西海岸化石公園に展示されている原位置の骨床。中央の顎骨は、現代のキリンの絶滅した親ivaであるシバテールに属していました。文字列は1メートルのグリッドをマークします。

炭素同位体:単なる年代測定以上のもの

骨や歯に保存されている炭素同位体を調べることで、より詳細な理解が得られます。ほとんどの人は、最近の遺体の年代測定に使用されているため、C-14同位体に精通していますが(以下の説明を参照)、炭素には放射性ではなくより一般的な2つの同位体があります。 C-12は炭素の最も一般的な同位体であり、C-13は二次安定同位体です。それらは安定しているため、時間とともに減衰しません。

植物グループごとに異なる比率の炭素同位体があり、古代動物の古食動物の指紋として使用できます。植物の炭素は、植物の比率がそれらを消費する動物の骨に反映されるように、骨と歯を構築するために使用されます。

これらの異なる同位体特性は、植物が使用する異なる代謝経路によるものです。多くの草は地質学的に最近のものであり、「C4植物」ですが、木や草本は「C3植物」です。サバンナは、木、低木、草があるため、C4とC3の両方の植物で構成されています。一方、森林は主にC3植物です。南アフリカに固有の植物相はフィンボス(発音:「ファインボーズ」)で、これもC3です。

ほとんどがC3植物を消費する動物は、ほとんどがC4植物を食べる動物とは骨の炭素同位体比が異なります。有蹄動物の残骸(有蹄動物:カバ、カモシカ、キリン、ブタなど)で行われた分析は、500万年前の化石公園に存在する環境がC3植物に支配されていたことを示しています。

花粉

同位体分析により、この地域は草に支配されていないことが示されましたが、木、低木、およびフィンボを区別できませんでした。幸いなことに、植物から放出される花粉は通常豊富で、堆積物によく保存されています。

花粉は、同位体比とは異なり、その地域に存在していた植物の家族または属を一意に識別できます。追加のボーナスとして、大きな植物が木や葉のように残っているのとは異なり、花粉は風や水で簡単に運ばれるため、個々の植物の場所から広く散布されます。個々の植物から化石の葉を見つけることは決してないかもしれませんが、その花粉を見つける可能性ははるかに高くなります。

化石公園の花粉分析では、500万年前の地域には、草本のキンポウゲ科(キンポウゲなど)、カヤツリグサ科(スゲなどのパピルス)、キク科(ヒナギクなど)、およびウンベリフェラエ(パセリ、アン女王のレース)が含まれていたことが示されています。これらの植物ファミリーの組み合わせは、沿岸の平野の生息地を推測するために使用されました。キク科、アカザ科(グースフット)およびキク科(アマランサス)植物科の存在は、さらに乾燥した状態を示した。プロテア科の植物の花粉(例:プロテア)、ポドカルパス属(例:イエローウッド)およびオレア属(例:オリーブやアイアンウッド)の属の花粉も存在していました。

この花粉のすべての存在は、化石堆積物が堆積したときにこの地域に生息していた植物群落の写真を提供します。その時点でどの動植物が存在していたかを知ることは、過去の環境を示すために使用できます。

ゴルディロックス時代のデート問題

炭素-14は、(自然に発生する)炭素の放射性同位体であり、古い材料を年代測定するための最も一般的に知られている方法です。ただし、C-14の半減期が短すぎるため、岩の記録の大部分はこの手法では日付付けできません。また、元の有機材料の存在も必要です(一方、化石化は元の有機材料をより多くの耐久性のある鉱物)。有機材料が75,000年前になると、サンプルに残っているC-14が少なすぎて信頼性の高い測定ができなくなります。

カリウムの放射性同位体(K-40)は、C-14よりも半減期がはるかに長く、火成岩に存在します。したがって、カリウムとその娘製品であるアルゴンを含む技術は、10万年以上前に火山から噴火した材料に使用できます(半減期が非常に長いため、この技術は非常に若い材料には使用できません。元のカリウムが崩壊しており、正確に測定することはできません)。

残念なことに、南アフリカはこれらの動物が死んだ間、火山活動が活発ではなかったため、堆積物はカリウム-アルゴンを使用して直接年代測定することはできません。ただし、海面変化、古地磁気、および化石のパターンを含む他の方法を使用して、堆積物の年代を示すことができます。

年齢と化石のリンク

生層序学は、現在の動物の残骸に基づいて岩盤の記録を順序付ける方法であり、化石岩の年齢を制限するための有用な代替手段です。豚や象などの動物の血統は急速に変化するように見えるため(地質学的に)、これらの動物のさまざまなセットを特定することで、岩石の年代を正確に特定することができます。

化石動物からの手がかりは、西海岸化石公園の堆積物の年齢を約520万年前に制限します。イイ(ブタ)Nyanzachoerus kanamensisは、東アフリカと化石公園の両方で発見されています。東アフリカでの活発なリフティングとそれに伴う火山活動のために、絶対年齢(たとえば、数字をそれに固定できます)がその種に関連付けられています。ブタの家族は地質学的に急速な変化を経験していたので、その種を見つけることにより、公園の堆積物の年代について何かを言うことができます。

詳しくは
1アイソトープ分析とトウモロコシの歴史:ロバートH.タイコット、第10章:J.E.ストーラー、R.H。タイコット、B.F。ベンツ(編集者)、 トウモロコシの歴史:先史時代、言語学、生物地理学、家畜化、およびトウモロコシの進化への学際的アプローチ、アカデミックプレス(エルゼビア)、2009年。
2ケープタウンの岩石と鉱物:J.S.コンプトン、ダブルストーリーブックス、ケープタウン、南アフリカ、112ページ、2004年。
3 CleanTOPO2:SRTM30 Plus世界標高データの編集:トムパターソン、米国国立公園局、2013年。
4後期新生代のランゲバーンウェグ(LBW)古生物学サイトの地域的および世界的状況:南アフリカ西海岸:デビッドL.ロバーツ他、地球科学のレビュー、第106巻:3-4、2011年1月19〜14日。
5 5〜520万年前の環境:2016年12月に最終アクセスしたWest Coast Fossil Park Webサイトの記事。

結論

環境の再構築は、多くの場合、細かい細部に至ることがあります:骨の同位体の特徴、歯の微小摩耗パターン(歯の表面の傷は、動物が牧草、ブラウザ、または混合モードの餌であったかどうかを示すことができます)、堆積物の花粉の集合体、など…

現在、この公園は地中海性気候にあり、海から10 km以上離れています。しかし、結合されたすべての証拠は、500万年前には西海岸の化石公園が、古代のベルク川が大西洋に注ぐ場所の近くの亜熱帯林に存在していたことを示しています。

動物の痕跡と顕微鏡的および化学的手がかりが組み合わさって、この地域がどのようなものであるかについてのまとまりのある絵を作成します。このようにして、地球科学者は地球の過去の生命と気候の謎を解明します。

今日、これらの化石は南アフリカの西海岸化石公園でその場で(その場で)見ることができ、ゲストはふるいに乗った鳥、カエル、げっ歯類、および他の多くの小動物の微化石を探すことによって環境写真を完成させることさえできますスクリーン。発見物はすべて博物館のコレクションに追加されます。すべての化石は南アフリカの州によって保護されているため、訪問者は自分で標本を収集することはできません。

西海岸化石公園

西海岸の化石公園は、南アフリカのケープタウンの北120 kmに位置しています。彼らのウェブサイトには、サイトに関する豊富な情報、詳細な指示、そこで行われている研究に関する情報、および教育用アニメーションとワークシートが含まれています。この記事の著者は、Pippa Haarhoffの化石公園の管理者に彼女の助けと励ましに感謝したいと思います。

著者について

Alex Guthはミシガン工科大学の博士号を取得しており、彼女の論文はケニア地溝の火山進化に焦点を当てています。彼女は、地質学フィールドキャンプのアドバイザーを支援するために、南アフリカの西ケープ地域を数回訪れました。アフリカでの彼女の研究は、ナショナルジオグラフィックで働く機会をいくつかもたらしました。彼女のウェブサイトは//www.geo.mtu.edu/~alguth/で閲覧できます。