Skały mówią
Skamieniały Świat
Skamieniałościami nazywamy zachowane do naszych czasów szczątki dawnych zwierząt i roślin, a także ślady ich działalności. Proces przechodzenia żywego organizmu w skamieniałość zwany fosylizacją, trwa miliony lat i jest skrajnie przypadkowy. Studiowaniem procesów prowadzących do powstania skamieniałości zajmuje się odrębna gałąź paleontologii - tafonomia.
Zaraz po śmierci organizmu zaczyna się jego rozkład. Najlepiej zachowują się twarde części o wysokiej zawartości substancji mineralnych. Na przykład pancerze krabów są mniej zwapniałe niż pancerze trylobitów, które za życia tych organizmów zawierały więcej węglanu wapnia. Trylobity ulegały więc łatwiej fosylizacji i ich zapis paleontologiczny jest pełniejszy od zapisu krabów. Oprócz węglanu wapnia (CaCO3), który występuje w postaci kalcytowej lub aragonitowej, znacznie trwalszymi związkami mineralnymi są: krzemionka (SiO2) i fosforan wapnia [Ca3(PO4)2].
Warunkiem utworzenia skamieniałości jest szybkie zagrzebanie szczątków w osadzie, zanim nie zostaną całkowicie zniszczone. Najczęściej ma to miejsce w osadach okruchowych. W ten sposób wpływ czynników zewnętrznych (powietrze, woda, słońce, inne organizmy) będzie wyeliminowany w całości lub silnie zmniejszony.
W stanie kopalnym zachowuje się zaledwie 1% wszystkich organizmów i każda zachowana skamieniałość jest wyjątkiem w generalnym procesie destrukcji.
Skamieniałości dzielimy na strukturalne czyli takie w których zachowały się fragmenty organizmu i śladowe, które stanowią ślad działalności życiowej.
SKAMIENIAŁOŚCI ŚLADOWE
Ślady działalności życiowej kopalnych organizmów zwane też ichnoskamieniałościami, są ważnymi wskaźnikami dawnego życia wszędzie tam, gdzie brak szkieletowych szczątków. Dostarczają one także informacji o środowiskach. ”Sprawca” pozostawionych śladów zachowuje się niestety rzadko. Ślady aktywności życiowej znane są już od późnego prekambru. Ślady pełzania powstawały najczęściej w wyniku utrwalenia ruchów zwierzęcia w osadzie i dlatego można z nich wysnuć wiele wniosków o sposobie życia organizmów. Ślady ruchu są często jednocześnie śladami żerowania zwierząt na dnie morskim. Ślady drążenia występują w skałach zwięzłych (wybrzeża morskie, twarde dna pozbawione osadów). Nory mieszkalne stanowiły pomysłową ochronę przed wyschnięciem i wrogami. Oprócz tego istnieją jeszcze ślady spoczynku i tropy kręgowców.
CZĘŚCI ORGANIZMÓW ZMIENIONE WSKUTEK PROCESÓW FOSYLIZACYJNYCH
Procesy fosylizacyjne powodują przemiany pierwotnych związków chemicznych, budujących twarde części organizmów. Najmniejsze zmiany w częściach szkieletowych zachodzą wówczas, gdy związek chemiczny pozostaje ten sam, ale zachodzą zmiany w układzie molekularnym, np. Przemiana węglanu wapnia z postaci aragonitowej w kalcyt. Innego rodzaju procesem fosylizacyjnym jest zastąpienie pierwotnego związku chemicznego innym. Najczęstszymi minerałami zastępującymi są piryt (siarczek żelaza), apatyt (fosforan wapnia) i syderyt (węglan żelaza).
Uwęglenie czyli karbonizacja to zjawisko pospolite podczas fosylizacji roślin, natomiast w świecie zwierząt zachodzi dość rzadko. Polega ono na wzbogaceniu szczątków w węgiel.
Ziemia jest dzieckiem czasu
Cienka warstwa iłu w Gubbio (w Apeninach) wyznacza początek ery kenozoicznej.
W 1654 r. irlandzki arcybiskup James Ussher ustalił datę narodzin Ziemi na godzinę dziewiątą 23 października 4004 r. przed Chrystusem. Georges Buffon szacował wiek naszej planety na 75 tys. lat, a lord Kelvin dawał jej do 100 mln lat. A naprawdę jak stara jest nasza Błękitna Planeta?
Gdy pod koniec XVII w. rodziła się geologia, problem wieku i podziału dziejów Ziemi opierał się na kruchych i sprzecznych podstawach. Antyk przekazał przyrodnikom przekonanie o odwieczności planety i cykliczności jej dziejów. Świat nie miał początku ani kresu, a jego losy to ciągłe narodziny, rozwój i śmierć – bez końca powtarzające się sekwencje tych samych wydarzeń. Sprzeczna z tą wizją była myśl judeochrześcijańska – świat powstał w akcie stworzenia, z pierwotnego chaosu wyłoniły się lądy i wody Wszechoceanu, później pojawił człowiek, a w końcu tę rajską doskonałość zniszczyły wody potopu powszechnego.
A wszystko to miało się dziać całkiem niedawno – zdaniem badaczy Biblii wiek Ziemi nie przekraczał kilku tysięcy lat. Wcześni naturaliści i filozofowie, tworzący w XVII i XVII w. wielkie teorie Ziemi, usiłowali pogodzić obie wizje. Przykładem takiego kompromisu była „Święta Teoria Ziemi” Thomasa Burneta z 1680 r. – słynny rysunek z okładki tego dzieła ilustruje oba źródła inspiracji: siedem kolejnych stadiów rozwoju Ziemi, od stworzenia świata aż po jego kres umieszczono nie na linii, ale na okręgu, a wszystko to spięte osobą Chrystusa („Jam jest Alfa i Omega” – czyli początek i kres wszystkiego). Prawdziwe dzieje Ziemi zostały jednak zapisane nie w Biblii, lecz w skałach. Wizja Burneta nie miała nic wspólnego ze stratygrafią, czyli nauką o przestrzennych i czasowych relacjach między skalnymi warstwami (łac. stratum – warstwa, grec. grafo – piszę). A to właśnie metody stratygrafii pozwoliły geologom ogarnąć i podzielić dzieje Ziemi.
Skamieniałości to nie igraszki
Pierwszym, który potrafił czytać przeszłość z kamieni, był duński anatom i teolog Niels Stensen, zwany Stenonem. Jego krótka kariera geologiczna zaowocowała w 1667 r. pierwszym w dziejach opracowaniem geologii regionalnej (toskańskich Alp). Przede wszystkim jednak Stenon sformułował kilka zasad, które do dziś stanowią fundament stratygrafii. Po pierwsze, warstwy skalne osadzają się zwykle poziomo. Po drugie, warstwy leżące wyżej są młodsze od tych, które leżą niżej (to najważniejsza zasada: superpozycji, czyli nadległości). Po trzecie, warstwy pochylone lub sfałdowane musiały zostać poddane deformacji już po osadzeniu. Bezcenny dla dalszych badań dziejów Ziemi okazał się także inny wniosek Stenona – że zawarte w skałach skamieniałości (muszle, zęby, odciski liści) to prawdziwe resztki żyjących kiedyś organizmów, a nie „igraszki natury”, jak wielu uważało.
Kapitalne znaczenie tego odkrycia (Steno dokonał go, gdy rybacy pokazali mu złowionego rekina, którego zęby przypominały znajdowane w skałach Sycylii „kamienne języki”, glossopetry) polegało nie tylko na tym, że rozpoznał właściwie genezę skamieniałości, ale że potrafił ją zastosować do rekonstrukcji dziejów. W toskańskich Alpach najstarsze (więc najniższe) skały pozbawione były wszelkich organicznych szczątków. Obfitowały w nie dopiero warstwy młodsze (leżące wyżej). Skamieniałości dokumentowały więc nie tylko proces powstawania skał, ale też pozwalały określać, które z nich są starsze, a które młodsze, a nawet wydzielić dwa okresy w dziejach Ziemi (przed i po pojawieniu się życia). Steno nie umiał odpowiedzieć na dwa podstawowe dla stratygrafii pytania: o prawdziwy wiek Ziemi (wciąż trzymał się biblijnych tysięcy lat) i o naturę wszystkich skamieniałości. Owszem, udowodnił organiczne pochodzenie „łatwych” (do identyfikacji) skamieniałości – młodych, podobnych do współczesnych gatunków i zawartych w sypkich skałach na powierzchni. Ale nie zamierzał nawet przekonywać, że wszystkie, również te „trudne” (niepodobne do dzisiejszych), mają takie pochodzenie.
Rodząca się stratygrafia potrzebowała dwóch impulsów – dostrzeżenia głębokiego wymiaru czasu geologicznego i stwierdzenia organicznego charakteru wszystkich, a nie tylko „łatwych” skamieniałości. Pierwszy impuls przyszedł od badaczy gór – łączony bywa z nazwiskami dwóch wielkich antagonistów: szkockiego geologa Jamesa Huttona i Saksończyka Abrahama Gottloba Wernera; drugi – możliwy wraz ze stwierdzeniem faktu wymierania gatunków – zawdzięczamy pracom francuskiego anatoma Georges’a Cuviera. Na pierwszy rzut poszły badane przez Wernera i jego szkołę góry niemieckie od Eiffel po Turyngię i Sudety, a także Góry Kaledońskie w Szkocji, gdzie działał Hutton. Choć każdy łańcuch był inny, wszystkie miały wspólne cechy. Były zbudowane z warstw, przy czym warstwy najmłodsze, zwykle wapienne, były słabo pofałdowane i zawierały dużo „łatwych” skamieniałości. Znajdujące się pod nimi skały – też warstwowane – były powyginane, często zbudowane ze skalnych okruchów (zlepieńce, piaskowce) i zawierały „trudne” skamieniałości. Jeszcze niżej spoczywały niewarstwowane skały magmowe (granity, bazalty), pozbawione szczątków organizmów, ale za to bogate w kruszce metali. Wszystko to było otoczone luźnymi, chaotycznie rozrzuconymi, sypkimi osadami, nierzadko zawierającymi kości dużych lądowych ssaków.
W dolinach rzek i na wybrzeżach morskich spotkać jeszcze można było napływowe miękkie muły, osadzone niedawno przez wody. Najstarsze, kruszconośne skały („jądra” gór) nazwano pierwotnymi (ang. Pimary, niem. Urgebirge); te drugie, niejako przejściowe – przechodnimi (ang. Transition, niem.Übergangsgebirge); młodsze określono jako drugorzędowe (ang. Secondary, niem. FlÖtzgebirge), jeszcze młodsze zaliczono do trzeciorzędu (ang. Tertiary) i wreszcie najmłodsze, luźne osady nazwano napływowymi (czyli aluwium). Czasem wyróżniano też dyluwium – lodowcowe gliny zwałowe i piaski – łączone wówczas z potopem (później aluwium i dyluwium zaczęto określać łącznie jako czwartorzęd). Dzieje Ziemi zaczynały układać się w ciąg określony utworzonymi lub osadzonymi w kolejnych okresach skałami i sposobem ich występowania.
Skały to za mało
Zarówno Werner, jak i Hutton zdawali sobie sprawę, że do powstania górskich łańcuchów potrzebny był ogromny upływ W sukurs znów przyszły skamieniałości. Badacze gór bliżej się nimi nie zajmowali, ale przyrodnicy zaczęli przypuszczać, że rozwój życia na Ziemi miał charakter kierunkowy, a zatem można go wykorzystać do podziału dziejów planety. Jednak drogi, które do tego podziału prowadziły, były kręte. W 1778 r. ukazały się słynne „Epoki natury” francuskiego przyrodnika i filozofa Georges’a Buffona. Według niego, Ziemia miała swe narodziny (kolizja dwóch ciał kosmicznych), swój okres dziecięcy (zestalenie skorupy ziemskiej), powolne dojrzewanie (oziębienie klimatu, opadanie wód oceanu światowego) i zapewne będzie miała swój kres. Wszystko to Buffon podzielił na „epoki” (sześć – nieprzypadkowa aluzja do dni stworzenia).
W piątej i przedostatniej, która poprzedziła nasz świat, Ziemia była już zamieszkana przez podobne do dzisiejszych istoty, choć wszędzie jeszcze panowały tropikalne warunki. Dlatego nawet ciepłolubne zwierzęta żyły w obszarach arktycznych (tak Buffon tłumaczył występowanie kości słoni – mamutów na Syberii). czasu, choć nie umieli go wyrazić w latach (nie znali więc ich wieku bezwzględnego). Słynne stało się powiedzenie Wernera: „Ziemia jest dzieckiem czasu i powstawała stopniowo” (a Hutton mówił nawet, że „[Ziemia] nie wykazuje śladów początku, ani [nie będzie miała] kresu”). Jednak saksoński profesor posunął się zbyt daleko w swych poglądach. Nie dość bowiem, że uważał wszystkie skały za powstałe w wodnym żywiole, nawet wulkaniczne bazalty (w tym względzie Hutton był jego zagorzałym przeciwnikiem), to jeszcze ogłosił w 1787 r., że formacje skalne mają znaczenie uniwersalne.
Innymi słowy, można je wyróżnić – w tej samej kolejności – na całym świecie. Szybko okazało się, że Werner nie miał racji. Jego następcy stwierdzili bowiem fakt dziś oczywisty: w różnych miejscach Ziemi skały leżą w różnej kolejności i są odmiennie wykształcone. Z upadkiem schematu Wernera prysnęły złudzenia geologów o możliwości ustalenia skalnej chronologii za pomocą samej tylko reguły superpozycji Stenona. Skoro bowiem nie ma uniwersalnych formacji skalnych, to na jej podstawie można ustalić kolejność powstawania warstw tylko w tych miejscach, gdzie widać ich położenie względem siebie. Natomiast w przypadku oddalonych miejsc zasada nadległości nie pozwala na korelacje. Buffon posłużył się kopalnymi słoniami na poparcie swej tezy o stygnącej Ziemi – ale był to dobry argument, tylko pod warunkiem że mamuty były, jak dzisiejsze słonie, ciepłolubne. Tymczasem pod koniec XVII w. znaleziono pierwsze ciała mamutów w wiecznej zmarzlinie – skoro zostały zamrożone, Syberia musiała być zimna już za ich życia (wskazywały na to również ich gęste futra). Co więcej – rozwijająca się na przełomie XVII i XIX w. anatomia porównawcza (jej twórcą był Georges Cuvier z paryskiego Muzeum Historii Naturalnej) pozwoliła porównać budowę współczesnych słoni i kopalnych mamutów.
Cuvier wykazał, że różnice w budowie ich szkieletów były zbyt duże, by mówić o tym samym gatunku czy nawet rodzaju. Mamut nie przeszedł więc do Indii czy Afryki, ale zniknął z powierzchni Ziemi. Innymi słowy, był gatunkiem wymarłym. Odkrycie Cuviera stało się przełomem. W Ameryce Północnej w podobnych wiekowo młodych osadach odkryto kości innego słonia – mastodonta – a z Ameryki Południowej nadesłano do paryskiego muzeum wielkie kości dziwnego zwierzęcia, które Cuvier zidentyfikował jako gigantycznego naziemnego leniwca. Obecność wszystkich tych wielkich ssaków świadczyła, że przed naszym musiał istnieć wcześniejszy świat, który zamieszkiwały inne od dzisiejszych gatunki. Paryskie muzeum było dobrym miejscem do badania wymarłych zwierząt nie tylko dlatego, że jego prestiż ściągał z całego świata współpracowników i ich zbiory – ale również dlatego, że obok znajdowało się Montmartre. Na tym wzgórzu zbudowanym z piasków, wapieni i gipsów trzeciorzędowych odkryto kości znacznie starszych ssaków niż te z Syberii i Ameryki Południowej. Cuvier nie musiał daleko podróżować, by je zbadać, opisać i stwierdzić, że należały do znacznie starszego i zarazem bardziej egzotycznego świata. Były tam nie tylko dziwaczne, prymitywne i maleńkie konie, ale także zwierzęta, których w Europie w ogóle nie powinno być – torbacze. Było też wiele innych zwierząt – a żadne nie żyły dziś w Europie (ani w „przedpotopowym świecie” wraz z mamutami).
Era gadów
System Buffona łączył dzieje Ziemi ze zmianami życia. Jednak polegały one nie na powstawaniu i wymieraniu gatunków, jak przyjmujemy dzisiaj, ale na migracjach form ciepłolubnych w kierunku równika w miarę oziębiania planety i przesuwania się zasięgu stref klimatycznych. Dlatego w systemie Buffona skamieniałości nie odgrywają niemal żadnej roli – aby były przydatne do określania czasu Ziemi, trzeba by przyjąć realność wszystkich, w tym także „trudnych” skamieniałości – a to oznaczało też konieczność zaakceptowania wymierania gatunków.
Na to nie było wszak wtedy żadnych dowodów. Wymarły świat trzeciorzędu różnił się od świata „antedyluwialnego”, ale i od współczesnego. Był jednak zarazem naszym światem. Na lądach dominowały już ssaki, w morzach rozwijały się bujnie ślimaki i małże – tak jak dzisiaj. Ale pod warstwami trzeciorzędowymi były inne (drugorzędowe) skały, a w nich skamieniałości zupełnie innych zwierząt. Pod skałami Basenu Paryskiego spoczywały białe wapienie kredowe wychodzące na powierzchnię w słynnych białych klifach Dover i Normandii. Podobne skały kredowe odsłaniają się w zajętej wtedy przez Napoleona Holandii, w okolicach Maastricht. Właśnie stamtąd doniesiono o odkopaniu czaszki przedziwnego ogromnego stworzenia o ostrych zębach. Dzięki anatomii porównawczej Cuvier wykazał w 1808 r., że choć dziś (ani w trzeciorzędzie) nic podobnego na świecie nie żyło, musiała to być gigantyczna drapieżna morska jaszczurka (później nazwano ją mozazaurem). Polowała na amonity i belemnity – też nieznane z mórz trzeciorzędowych – a pewnie, jak się wkrótce okazało, i na inne morskie gady.
Mozazaur był najwyraźniej jednym z ostatnich przedstawicieli świata gadów drugorzędu. Sam Cuvier opisał też fruwającego pterozaura, a w jego czasach poznano już morskie ichtiozaury i plezjozaury oraz lądowe dinozaury. Tak narodziło się ściśle paleontologiczne pojęcie drugorzędu – ery gadów. Choć przybywających do Anglii turystów witają białe skały kredowe, w głębi wyspy znajdują się znacznie starsze skały – w Walii i Szkocji np. prawie wszystkie skały są starsze od drugorzędowych. Nie ma w nich dużo skamieniałości, a te, które są, wyglądają dziwnie i nie dają się łatwo przypisać do współczesnych grup. Cuvier potrafił odtworzyć całe zwierzęta trzeciorzędowe na podstawie pojedynczych kości, ale podobny zabieg w stosunku do form ze skał „przechodnich” byłby niemożliwy. Niemniej dla Williama Smitha, który zajmował się budową mostów i kopaniem kanałów, nawet „trudne” skamieniałości okazały się nieocenione do datowania skał. Smith najpierw ustalił, że leżące na sobie kolejne warstwy skalne często różnią się rodzajem występujących w nich skamieniałości. Stosując regułę Stenona, wiedział, które z nich są młodsze, a które starsze (znał więc ich wiek względny).
Następnie stwierdził, że taką samą kolejność występowania skamieniałości można często prześledzić w odległych od siebie rejonach. Wyciągnął stąd śmiały, a zarazem słuszny wniosek, że warstwy zawierające te same gatunki kopalnych organizmów tworzyły się w tym samym czasie (można więc dokonać ich korelacji wiekowej). Korelując skały za pomocą skamieniałości, Smith sporządził w 1815 r. mapę geologiczną Anglii, Walii i Szkocji, która z miejsca przydała się do poszukiwań surowców mineralnych. Dziś wypracowaną przez Smitha zasadę formułujemy jako prawo następstwa skamieniałości. Jest ona drugą, po zasadzie superpozycji Stenona, i nadal aktualną zasadą współczesnej stratygrafii (w odniesieniu do skał zawierających skamieniałości). Paradoksalnie, tryb życia oraz pokrewieństwo dawno wymarłych gatunków były Smithowi obojętne – ważne, że występowały zawsze w skałach o określonym wieku. Mówiono, że gdyby znajdował guziki, które – podobnie jak gatunki – zmieniały się w czasie, byłby równie szczęśliwy; ważne, by każda formacja zawierała guziki innego typu. Wypada dodać, że i dzisiaj złośliwi twierdzą, iż stratygrafia, a ściślej mówiąc, zapoczątkowana przez Smitha i Cuviera biostratygrafia, to w dużej mierze „guzikologia”.
Ery, okresy, piętra
Zasadę Smitha z powodzeniem wykorzystali badacze najstarszych przechodnich skał z walijskiego pogranicza (Welsh Borderland). Rozpoczął je na początku lat 30. XIX w. sir Roderick Impey Murchison. Znalazł skały mało zmienione i leżące we względnym tektonicznym spokoju, z licznymi „trudnymi” skamieniałościami. Nie było wśród nich żadnych szczątków kręgowców (poza nielicznymi resztkami osobliwych bezszczękowców, podobnych do ryb), nie było też szczątków roślin ani zwierząt lądowych. Były to skały bardzo stare – pod nimi gdzieniegdzie wychodziły na powierzchnię zmetamorfizowane i magmowe utwory pierwotne (Primary), zupełnie pozbawione skamieniałości. W tych starych osadach z początków Transition świat ożywiony był znacznie prymitywniejszy niż dziś: lądy były jeszcze puste (bez roślin), kręgowce nieliczne i żyły tylko w morzach, a i wśród bezkręgowców wiele było grup całkowicie wymarłych (trylobity, wielkoraki, proste łodziki).
W wydanej w 1839 r. monografii „Silurian System” Murchison ogłosił, że odkrył pierwszy okres rozwoju życia na Ziemi, który nazwał sylurem (od nazwy starożytnego plemienia walijskiego). Skały sylurskie występowały powszechnie w całej Walii, i – jak się wkrótce okazało – na innych obszarach Ziemi: do Murchisona napływały doniesienia o odkryciach podobnych skamieniałości w równie starych skałach ze wszystkich lądów – od Ameryki po Afrykę. Okres czy też system sylurski był pierwszym, który opisano dla całej Ziemi, a nie tylko dla ograniczonego obszaru Europy. I był uniwersalny: podobne skamieniałości znajdowano w wapieniach, łupkach i piaskowcach, a nie tylko jak dotąd w jednym rodzaju skał. Choć z całego świata przychodziły potwierdzenia poglądów Murchisona, w samej Walii sytuacja nie wydawała się tak prosta. Pod sylurem, na skałach pierwszorzędu, leżały grube pokłady czarnych łupków, opisywane przez Adama Sedgwicka, który uznał je za osad z jeszcze starszego okresu, nazwanego przez niego kambrem (od łac. nazwy Walii – Cambria). To kambr, a nie sylur, był więc pierwszym okresem Transition – tym twierdzeniem Sedgwick naraził się Murchisonowi i rozpoczął ich trwający przez dziesięciolecia spór w istocie o to, czyj okres rozpoczyna dzieje życia na Ziemi. Silnie zmetamorfizowane skały kambryjskie w Walii są niemal zupełnie pozbawione skamieniałości, co utrudniało Sedgwickowi zadanie. Dopiero w latach 40. XIX w. z okolic Pragi przyszło potwierdzenie jego poglądów, gdy Joachim Barrande – osiadły w Czechach francuski geolog – opisał pięknie zachowane trylobity z warstw odpowiadających walijskim. Tak rodziła się, bez planu i chaotycznie, często w gorączce sporów i animozji, tablica stratygraficzna.
Najważniejszymi jej elementami okazały się odpowiadające okresom geologicznym systemy, takie jak sylur Murchisona czy kambr Sedgwicka. Zgodnie z naukami Smitha definiowano je na podstawie charakterystycznych skamieniałości. Ich nazwy miały bardzo różne pochodzenie. Murchison i Sedgwick lubowali się w brytyjskich starożytnościach. Inne systemy nazywano od charakterystycznych typów skał (na przykład kredowy od kredy piszącej, a karboński od pokładów węgla kamiennego). Nazwa trias pochodzi od trójdzielnego wykształcenia warstw, które można obserwować w Niemczech. Perm – od miasta w Rosji, jura zaś od szwajcarskich gór o tej samej nazwie. Systemy dzielono na mniejsze jednostki, zwane piętrami (przykładem takiego piętra jest mastrycht, wydzielony w 1849 r. przez André Dumonta na podstawie tych samych skał, które dostarczyły słynnej czaszki mozazaura). Nadszedł w końcu czas, by rozstać się z pamiętającymi pionierskie czasy geologii nazwami er w dziejach Ziemi, wydzielonymi na podstawie kryteriów litologicznych i nieprzystającymi do czasów zorientowanej na paleontologię stratygrafii. Dokonał tego w 1841 r. John Phillips, siostrzeniec Williama Smitha, zastępując Transition, Secondary i Tertiary nawiązującymi do rozwoju życia nazwami paleozoik, mezozoik i kenozoik (erami „starego”, „pośredniego” i „nowego” życia; trzeciorzęd i czwartorzęd, niczym żyjące skamieniałości dawnych ustaleń, pozostały jednak na długo – czwartorzęd nawet do dzisiaj – jako systemy w obrębie kenozoiku).
Skały wcześniejsze, bez skamieniałości, pochodzące z czasów pozbawionej – jak wtedy sądzono – życia planety zaliczył Phillips zbiorczo do azoiku (dziś nazywamy ten okres nieformalnie prekambrem). Od połowy XIX w., gdy tabela dziejow Ziemi przybrała już z grubsza obecną postać, geolodzy umieli identyfikować warstwy skalne w najodleglejszych zakątkach świata. Mogli je porównywać z profilami typowymi (stratotypami), czyli tymi, na których podstawie po raz pierwszy opisano skały danego okresu (przykładowo stratotyp syluru znajduje się w Walii), by następnie stwierdzić: ten oto kompleks skalny zawiera te same skamieniałości co profil typowy, a więc osadził się w tym samym czasie. (Tak postąpił na przykład Ludwik Zejszner, który w 1868 r. po raz pierwszy stwierdził występowanie syluru w Górach Świętokrzyskich). Problem tkwił tylko w tym, że nie bardzo było wiadomo, ile lat temu to się działo. Za sprawą przemyśleń Wernera i Huttona biblijne tysiące lat odeszły do lamusa – wiedziano, że Ziemia i życie powstały dawno, lecz nie wiedziano kiedy. Z chwilą gdy Karol Darwin ogłosił światu rozwiązanie Tajemnicy Tajemnic, jak sam określił zagadkę pochodzenia gatunków, problem liczonego w latach wieku skał (czyli ich wieku bezwzględnego) nabrał szerszego wymiaru. Ewolucja wymagała bowiem czasu. By drobne, przekazywane z pokolenia na pokolenie zmiany organizmów dały zauważalne efekty, musiało go minąć bardzo dużo.
Gdyby Ziemia była młoda, nie starczyłoby czasu na powstanie życia, przekształcenie jednokomórkowych mieszkańców darwinowskiej „ciepłej sadzawki” (prekambr) w świat trylobitów, ryb i lasów węglowych bagnisk (paleozoik), potem gadów i amonitów (mezozoik), a w końcu ssaków i roślin kwiatowych (kenozoik). Darwin nie wyobrażał sobie, by ewolucja mogła przebiegać w czasie krótszym niż setki milionów, a nawet miliardy lat. Nie bez przyczyny jego przeciwnicy szukali wszelkich przesłanek na rzecz młodego wieku Ziemi.
W poszukiwaniu zegara
Z początku te przesłanki nie były błahe. Na przeszkodzie starej Ziemi stanął bowiem autorytet fizyki w osobie lorda Kelvina. Jego rozumowanie było następujące: im głębiej pod powierzchnią ziemi, tym cieplej (można się o tym przekonać, zjeżdżając w dół kopalni). Świadczy to o przepływie ciepła z wnętrza Ziemi ku jej powierzchni. Inny mi słowy, nasza planeta stygnie. Im dawniej, tym była gorętsza, a na początku była rozżarzoną kulą magmy. Kelvin znał w przybliżeniu przedziały temperatur, w których krystalizują minerały tworzące skały. Mógł więc oszacować czas, który upłynął od zestalenia jej powierzchni. Jego ogłoszone w 1846 r. obliczenia były jak wyrok śmierci dla ewolucji: od zakrzepnięcia ziemskiej skorupy minęło tylko 100 mln lat (później pisał nawet o 20 mln).
Był to cios dla Darwina (który wiek samego kenozoiku wyliczał na 300 mln lat!), choć inni ewolucjoniści przyjęli to spokojniej: widać ewolucja działa szybciej (Alfred Wallace) lub bardziej skokowo (Thomas Henry Huxley). Ale i oni gotowi byli zgodzić się na 100, a nie 20 mln lat. Wkrótce sama fizyka przyszła na odsiecz ewolucjonistom. W 1896 r. francuski fizyk Henri Becquerel wykrył, że niektóre pierwiastki promieniotwórcze, np. uran, wydzielają energię podczas rozpadu. W parę lat później angielski fizyk R.J. Strutt oszacował ilość ciepła emitowanego przez minerały skorupy ziemskiej i wykazał, że wystarczy ona do zrównoważenia ucieczki ciepła, która stanowiła podstawę wyliczeń Kelvina. Co więcej, okazało się też, że naturalną promieniotwórczość można wykorzystać do datowania skał. Pierwiastki radioaktywne przekształcają się z czasem w trwałe (na przykład radioaktywne izotopy uranu dają w wyniku rozpadu trwałe izotopy ołowiu).
Czas ten można mierzyć, porównując ilość pierwiastka wyjściowego i produktu jego rozpadu. Nareszcie geologia dostała swój zegar! W 1907 r. amerykański chemik B.B. Boltwood dokonał pierwszych bezwzględnych datowań skał. Już pierwsze pomiary wieku skał prekambryjskich przekroczyły niewyobrażalną granicę miliarda lat. Dziś wiemy, że najstarsze znane skały – gnejsy z Acasta w Kanadzie – liczą sobie około 4 mld lat, a ziarno minerału cyrkonu z Australii datowane jest na 4,4 mld lat (to najstarsze stałe ciało na Ziemi, niewiele młodsze od samej planety, która powstała niecałe 4,6 mld lat temu).
Stare skorupy nadal użyteczne
Wydawać by się mogło, że wraz z odkryciem metod radiometrycznych oparta na skamieniałościach biostratygrafia powinna umrzeć naturalną śmiercią. Jednak nic takiego się nie stało. Przyczyny są trzy. Po pierwsze, datowania radiometryczne obarczone są zwykle marginesem błędu, co wynika z technicznych ograniczeń pomiaru zwykle śladowych ilości pierwiastków. Po drugie, radiometryczny zegar często ulega wyzerowaniu bądź przestawieniu za sprawą podgrzania lub sprasowania skał, w wyniku czego ulega zmianie pierwotny skład minerałów.
A co najważniejsze, za pomocą radiometrii można datować tylko skały pochodzenia magmowego, takie jak granity i bazalty, oraz pewne skały z pogranicza osadowych i magmowych, takie jak popioły wulkaniczne, które opadły na dno morza (można też mierzyć wiek węgla 14C, na przykład zawartego w drewnie lub kościach, ale tylko w przypadku bardzo młodych osadów). Nie możemy natomiast za pomocą radiometrii ustalać wieku skał osadowych, takich jak piaskowce (datowanie ziaren mineralnych z piaskowca, np. cyrkonu, da nam wiek pierwotnej skały wulkanicznej, z której te ziarna zostały wyerodowane, ale nie wiek samego piaskowca). A przecież to właśnie w skałach osadowych zawarte są skamieniałości, które stanowią podstawę podziału znacznego odcinka dziejów Ziemi. By datować serie osadowe, geolodzy muszą się nieźle nagimnastykować, znaleźć wśród nich zakrzepłe potoki lawy lub pokłady popiołów, ustalić ich wiek, a następnie ekstrapolować go na skały osadowe.
Nie koniec na tym. Większość pięter okresu kredowego, takich jak mastrycht Dumonta, zostało wyznaczonych w Europie w XIX w. na podstawie skamieniałości. Jednak w europejskiej kredzie próżno szukać nawet popiołów wulkanicznych, które nadawałyby się do datowań, nie mówiąc już o potokach lawy czy granitowych intruzjach. Natomiast w osadach morza, które w tym czasie dzieliło na pół obszar Stanów Zjednoczonych, występują liczne warstwy bentonitów, czyli zmienionych pod wpływem wody morskiej popiołów wulkanicznych, które nadają się do datowania bezwzględnego (ich nazwę utworzono od Fort Benton, skąd pochodzą po raz pierwszy opisane okazy). W skałach między kolejnymi warstwami bentonitów roi się od wspaniale zachowanych skamieniałości, głównie amonitów, które umożliwiają szczegółowy podział biostratygraficzny.
Kłopot jednak w tym, że większość amerykańskich amonitów to formy, które nigdy nie opuściły amerykańskiego morza. Jak więc skorelować wiekowo kredowe skały z Ameryki i Europy? Cała nadzieja w „podróżnikach”, którzy czasem przepływali z Ameryki do Europy lub na odwrót (nie w poprzek Atlantyku, który choć węższy w kredzie, stanowił dla nich zaporę nie do przebycia, lecz zapewne wzdłuż grenlandzkich szelfów). W 1993 r. w światku kredowych badaczy wybuchła sensacja, gdy wybitny znawca amonitów, William James Kennedy z Oksfordu, obwieścił, że pewien gatunek amerykańskiego późnokredowego amonita występuje także w kamieniołomie w nadwiślańskiej wsi Piotrawin. Odtąd stało się możliwe skorelowanie amerykańskich i europejskich pokładów kredowych, a co ważniejsze – przypisanie wieku bezwzględnego tym ostatnim (w oparciu o datowania bentonitów z Ameryki).
GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA |
Ziemia - Nasza Planeta
