Wzorce w zapisie kopalnym – cz. 1

Skamieniałości to zachowane w skałach pozostałości organizmów, a także ślady ich działalności życiowej. Ich znaczenie dla nauki jest nie do przecenienia, ponieważ stanowią one jedyne dostępne źródło informacji o dawnych formach życia. Dzięki skamieniałościom możliwe jest nie tylko odtworzenie budowy ciała wymarłych stworzeń, ale także wyciąganie wniosków na temat współczesnych im warunków ekologicznych i środowiskowych. Skamieniałości odgrywają również niezwykle ważną rolę w dyskusjach dotyczących pochodzenia różnorodnych organizmów występujących obecnie na Ziemi.

Artykuł ten składa się z dwóch części. W pierwszej części dokonamy przeglądu niektórych wzorców, które wyłaniają się z ogólnego spojrzenia na zapis kopalny. W drugiej omówimy te wzorce w świetle naturalistycznych i biblijnych modeli pochodzenia życia.

Skamieniałości i tabela stratygraficzna

Przed ustaleniem ogólnych wzorców dotyczących rozmieszczenia skamieniałości konieczne jest określenie zależności przestrzennej między skałami, które je zawierają. Geolodzy stworzyli schemat zwany tabelą stratygraficzną, służący do porządkowania skał pochodzących z różnych miejsc w wyidealizowanej kolejności występowania jednostek i zdarzeń geologicznych. Wyobraźmy sobie tabelę stratygraficzną jako ciasto warstwowe, w którym skały pochodzące z dowolnego miejsca można z łatwością przypisać do konkretnej warstwy tabeli, a ich związek z innymi skałami staje się oczywisty. Tabela stratygraficzna powstała w wyniku prowadzenia na całym świecie licznych obserwacji i pomiarów lokalnych, a także dostrzegania zależności między wychodniami skalnymi. Jest ona stale udoskonalana, jednak jej podstawowe sekcje są stałe¹.

Pomimo sceptycyzmu ze strony niektórych kreacjonistów w stosunku do wiarygodności tabeli stratygraficznej jako słusznej idei, wielu z nich uznaje ją za skuteczne narzędzie do porządkowania informacji przestrzennej zapisu skalnego². W niniejszym artykule większość omawianych wzorców zakłada słuszność tabeli stratygraficznej jako niezbędnego punktu wyjścia do odtworzenia zdarzeń geologicznych.

Zgodnie ze standardową praktyką stosowaną w geologii tabela stratygraficzna wiąże się z uporządkowaniem chronologicznym setek milionów lat. Jednak kreacjoniści na ogół nie zgadzają się z tak długą chronologią tworzenia się wielu okresów w tabeli. W związku z tym kreacjoniści, którzy uznają tabelę stratygraficzną, oddzielają dane stratygraficzne³ (tj. kolejność i współzależność jednostek skalnych) od chronologii bezwzględnej (tj. wieku wyrażonego liczbą) przypisywanej jednostkom skalnym.

Przegląd niektórych wzorców w zapisie kopalnym

Uporządkowane rozmieszczenie

Jedną z najważniejszych cech zapisu kopalnego jest to, że każdy gatunek kopalny konsekwentnie występuje w obrębie określonego okresu w tabeli stratygraficznej. Jedne taksony⁴ mogą mieć bardzo ograniczone rozmieszczenie, natomiast inne można znaleźć w większych częściach tabeli. Przedział występowania danego taksonu jest czasami nazywany jego zakresem stratygraficznym. Na przykład zakres stratygraficzny skamieniałych szczątków ludzkich odpowiada czwartorzędowi (najwyższa część tabeli stratygraficznej), podczas gdy zakres stratygraficzny dinozaurów ogranicza się do mezozoiku (niżej w tabeli stratygraficznej). Dlatego rozmieszczenie skamieniałości tych dwóch grup nie pokrywa się i nigdy nie można znaleźć ich razem w tym samym miejscu.

Zakres stratygraficzny taksonów kopalnych uzyskuje się poprzez pobieranie próbek z wielu rejonów. Jeśli dostępnych jest wiele okazów (takich jak mikroskamieniałości, które można pozyskać w tysiącach sztuk na jedną próbkę), możliwe jest bardzo precyzyjne określenie zakresu stratygraficznego. Odwrotnie dzieje się w przypadku odkrycia zaledwie kilku okazów danego taksonu – wówczas górne i dolne granice zakresu stratygraficznego mogą ulec rozszerzeniu w następstwie nowych odkryć.

Od organizmów wyłącznie morskich do morskich i lądowych

Jednoznaczne określenie trybu życia wymarłych organizmów nie należy do łatwych zadań, jednak zazwyczaj możliwe jest przynajmniej stwierdzenie, czy skamieniały organizm żył w środowisku morskim czy lądowym. Wyróżnikiem zapisu kopalnego jest to, że wszystkie skamieniałe organizmy umiejscowione w dolnej części tabeli stratygraficznej (aż do syluru) zasadniczo traktuje się jako przystosowane do życia wyłącznie w warunkach morskich. Oznacza to brak organizmów lądowych wśród milionów skamieniałości z wczesnego paleozoiku. Sylur i dewon stanowią pierwszy okres, w którym zaczynają się pojawiać skamieniałości organizmów związanych z lądem. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że grupy zupełnie od siebie różne – rośliny (Edwards i Burgess, 1990), bezkręgowce (Selden, 1990) i kręgowce (Milner, 1990) – łączy to, że ich pierwsi przedstawiciele pojawiają się w tym okresie tabeli stratygraficznej. Niektóre z tych form życia, takie jak występujące najwcześniej czworonogi⁵ (Carroll, 2005), wydają się być przystosowane do życia w środowiskach nadmorskich i przyrzecznych, na pograniczu wody i lądu. Od dewonu wzwyż w zapisie kopalnym licznie reprezentowane są zarówno organizmy morskie, jak i lądowe.

Im wyżej, tym bliżej współczesności

Wiele ze skamieniałości zachowanych w zapisie skalnym zalicza się do grup organizmów obecnie wymarłych. Jednak niektóre grupy skamieniałości mają swoich współczesnych przedstawicieli. Możliwe jest oszacowanie, jaki procent taksonów kopalnych umiejscowionych w określonym przedziale tabeli stratygraficznej żyje aż do dzisiaj. Zadanie to można wykonać na poziomie gatunku lub wyższej kategorii taksonomicznej (takiej jak rodzaj lub rodzina). Z analizy podobieństwa między fauną i/lub florą spotykaną obecnie a kopalną wynika, że w miarę przesuwania się w dół tabeli stratygraficznej takie podobieństwo jest coraz mniejsze (lub, innymi słowy, skamieniałości umiejscowione w górnej części tabeli stratygraficznej są bardziej podobne do organizmów obecnie żyjących niż te z niższej części tabeli).

Odmienność morfologiczna

Odmienność morfologiczna to miara różnicy w budowie dwóch organizmów. Podczas analizy zapisu kopalnego możemy doszukiwać się stopnia odmienności pomiędzy formami życia występującymi w określonym okresie tabeli stratygraficznej. W szczególności interesujące jest ocenianie odmienności przy pojawianiu się nowych grup, ponieważ naszym celem jest przekonanie się, czy były one stosunkowo jednorodne, czy może już zróżnicowane, gdy po raz pierwszy pojawiły się jako skamieniałości. Ogólna tendencja widoczna w zapisie kopalnym to wysoki stopień odmienności już od momentu pierwszgo wystąpienia nowej grupy. Klasycznym przykładem dużej odmienności początkowej jest „eksplozja” kambryjska wielokomórkowców⁶, kiedy to całkowicie odmienne od siebie organizmy reprezentujące zasadniczo wszystkie grupy zwierząt po raz pierwszy pojawiają się w kambryjskich warstwach geologicznych (Marshall, 2006).

Zapis kopalny wielu grup rozpoczyna się niewielką liczbą organizmów istotnie różniących się od siebie pod względem budowy, po czym w wyższych warstwach charakteryzuje się wzrostem różnorodności, przejawiającej się jednak w formie odmian ustalonych już motywów.

Jednoczesne znikanie gatunków (masowe wymieranie)

Gdy nie są znani żadni żyjący przedstawiciele taksonu kopalnego, daną grupę uznaje się za wymarłą. Zdecydowana większość gatunków kopalnych jest wymarła, ale ich pozycja w tabeli stratygraficznej wskazująca okres ich najliczniejszego występowania jest wysoce zmienna. Jednak niektóre gatunki znikają na tym samym poziomie (znikanie jednoczesne), a jeśli zanikłe grupy są liczne i należą do różnych kategorii organizmów, zjawisko to określa się terminem „masowe wymieranie”. W obrębie fanerozoiku wyróżnia się co najmniej pięć odrębnych okresów masowego wymierania (Sepkoski, 1986). Wymieranie przyjęło największe rozmiary w permie i triasie, kiedy to zniknęło szacunkowo 54% wszystkich rodzin morskich oraz 83% wszystkich rodzajów organizmów morskich występujących w niższych warstwach (Erwin, 1990). Prawdopodobnie najbardziej znane jest wymarcie, które miało miejsce w kredzie i paleogenie, ze względu na jego związek ze zniknięciem dinozaurów i możliwy związek z uderzeniem meteorytu o wysokiej energii (Alvarez i in., 1980). Poza dużymi masowymi wymieraniami można przywołać kilka innych przykładów jednoczesnych zniknięć obejmujących mniejszą liczbę taksonów lub o ograniczonym zasięgu geograficznym (Sepkoski, 1986).

Jednoczesne pojawianie się gatunków (radiacja)

Wzorzec jednoczesnego pojawiania się gatunków (często określany jako radiacja) jest zasadniczo zjawiskiem odwrotnym do jednoczesnego znikania gatunków. Odnosi się ono do obecności w tej samej ograniczonej części tabeli stratygraficznej licznych taksonów, które nie występowały w niższych warstwach. Do klasycznych przykładów radiacji należy „eksplozja” kambryjska wielokomórkowców (Marshall, 2006), zróżnicowanie fauny morskiej w ordowiku (Miller, 2001), radiacja okrytonasiennych w kredzie (Friis i in., 2006) oraz radiacja współczesnych rzędów i rodzin ssaków w eocenie i oligocenie (Bowen i in., 2002).

Zastój a stopniowa zmiana

W swoim wpływowym artykule Eldredge i Gould (1972) zasugerowali, że gatunki kopalne wykazują niewielką zmienność morfologiczną w obrębie całego zakresu rozmieszczenia stratygraficznego. Hipoteza ta, zwana zastojem, kontrastowała z popularną wcześniej ideą, według której zapis kopalny ukazywał stopniową i kierunkową zmianę morfologiczną między gatunkami ułożonymi w porządku stratygraficznym. Podjęto kilka prób wyjaśnienia, który z dwóch wzorców (zastój lub stopniowa zmiana) jest rzeczywiście reprezentowany w zapisie kopalnym. Niektóre badania zdecydowanie wskazują na istnienie zastoju (np. Cheetham, 2001), z kolei inne opisują stopniowe zmiany morfologiczne (np. Arnold, 1983). Trzeci model, zwany „błądzeniem losowym” (ang. „random walks”), również jest możliwy i polega na występowaniu znacznych zmian w warstwach kolumny geologicznej, ale w nieokreślonym kierunku. Badania statystyczne na temat względnego znaczenia tych wzorców zmian morfologicznych w zapisie kopalnym wykazują, że przykłady stopniowych zmian są zdecydowanie mniej liczne niż przykłady zastoju lub błądzenia losowego (Hunt, 2007; Grey i in., 2008).

Formy pośrednie pomiędzy głównymi grupami

Od czasu wydania dzieła Darwina „O powstawaniu gatunków” jednym z najbardziej poszukiwanych wzorców w zapisie kopalnym jest obecność form życia o cechach przejściowych, układających się zgodnie z sekwencją stratygraficzną. Przedmiotem szczególnego zainteresowania są morfologiczne stadia pośrednie (lub „łączniki”) między głównymi kategoriami organizmów żywych (takich jak ryby i płazy, dinozaury i ptaki, ssaki lądowe i morskie). Te formy łącznikowe miałyby stanowić węzły pomiędzy gałęziami rzekomego drzewa życia. Jednak takie formy przejściowe w zapisie skalnym są rzadkością. Omawiając pochodzenie wyższych taksonów, Kemp (1999, s. 246) stwierdza, że „praktycznie w każdym przypadku nowy takson pierwszy raz pojawia się w zapisie kopalnym, wykazując w pełni wykształcone cechy występujące już wcześniej”.

Należy jednak zauważyć, że niektóre formy o charakterze przejściowym lub składające się z szeregu cech pochodzących z różnych grup rzeczywiście zachowały się w zapisie kopalnym. Są to na przykład występujące w dewonie ryby przypominające czworonogi (Daeschler i in., 2006; Long i in. 2006; Ahlberg i in., 2008), występujące w późnym paleozoiku i wczesnym mezozoiku gady ssakokształtne (Kemp, 1999; Luo, 2007), występujące we wczesnej kredzie dinozaury terapody o cechach przypominających ptaki (Qiang i in., 1998; Xu i in., 2003) oraz występujące w eocenie walenie lądowe i wodno-lądowe (Thewissen i in., 2001, 2007).

Inne wzorce

Istnieje oczywiście wiele innych wzorców, które można zbadać na podstawie zapisu kopalnego, a które nie zostały omówione w niniejszym artykule. Należą do nich trendy dotyczące różnorodności, złożoności, rozmiaru ciała, wyspecjalizowania, staniu zachowania, skamieniałości śladowych oraz charakteru osadów. Czytelników zainteresowanych komentarzem kreacjonistów na temat większości z tych wzorców odsyłamy do publikacji Gibsona (1996).

Przypisy:

1. Stadardowa wersja schematu przedstawiającego sekcje tabeli stratygraficznej (z których niektóre wymieniono w dalszej części artykułu) jest dostępna pod adresem: https://pl.wikipedia.org/wiki/Tabela_stratygraficzna.
2. Przykłady odmiennych opinii kreacjonistów na temat tabeli stratygraficznej można znaleźć w publikacji Reed i Oard, 2006.
3. Stratygrafia to dział geologii zajmujący się podziałem zapisu skalnego na odrębne jednostki charakteryzujące się określonymi kombinacjami możliwych do zaobserwowania parametrów (takich jak rodzaj skał, występujące skamieniałości, właściwości magnetyczne, skład izotopowy itd.).
4. W nazewnictwie biologicznym stosuje się różne poziomy hierarchii w celu uszeregowania organizmów od ogółu do szczegółu (np. gromada, rodzina, rodzaj, gatunek). Takson to ogólne określenie stosowane w odniesieniu do dowolnej z tych kategorii (na przykład słowa takson moża użyć zarówno w kontekście gatunku, jak i rodziny).
5. Termin czworonóg jest używany do określenia czworonożnych kręgowców, czyli grupy obejmującej płazy, gady, ssaki i ptaki.