به نظر میرسد سرعت تجمع رسوبات در بستر دریا، عامل کلیدی تعیینکننده این باشد که آیا فسیلهای متعلق به دورههای زمانی مختلف با یکدیگر مخلوط میشوند یا خیر.
یک لایه واحد از فسیلهای دریایی ممکن است مانند عکسبرداری لحظهای از یک جامعه باستانی به نظر برسد، حتی زمانی که موجوداتی که در کنار هم حفظ شدهاند، صدها یا هزاران سال از یکدیگر فاصله زمانی داشتهاند. برای دیرینشناسانی که تلاش میکنند اکوسیستمهای گذشته را بازسازی کنند، دانستن میزان زمان فشرده شده در آن لایه ضروری است.
رافال ناوروت، دیرینشناس دانشگاه وین، نوشت: «آنچه مرا دائماً شگفتزده میکند، این است که چه مقدار زمان توسط تعدادی فسیل جمعآوری شده از یک لایه رسوبی واحد نمایانده میشود. در برخی موارد، موجودات فسیلی با حفظشدگی خوب که در کنار هم یافت میشوند، ممکن است صدها یا هزاران سال از یکدیگر فاصله زمانی داشته باشند.»
این مخلوط شدن موجودات از دورههای مختلف در یک ذخیره فسیلی واحد، به عنوان «میانگینگیری زمانی» شناخته میشود. این پدیده میتواند به طور طبیعی در بسترهای دریایی پربار توسعه یابد، جایی که هر متر مربع ممکن است حاوی صدها یا هزاران تونل جداگانه و متصل باشد که توسط صدفها، میگوها، ستارههای دریایی، دلارهای شنی، حلزونها، کرمها و سایر جانوران اشغال شده است. هنگامی که آن جانوران در بستر حفر میکنند، رسوبات را بارها مختل کرده و پوستهها و بقایای اسکلتی دیگر را توزیع مجدد میکنند.
پس از اینکه آن بستر دریا مدفون شود و وارد سوابق فسیلی گردد، تعیین میزان این اختلاط میتواند دشوار و پرهزینه باشد. با این حال، پاسخ به این سوال تعیین میکند که دانشمندان چه چیزهایی را میتوانند با اطمینان از فسیلها استنباط کنند، طبق گفته دانیله اسکارپونی، همکار ناوروت و استادیار دانشگاه بولونیا.
اسکارپونی نوشت: «قبل از تفسیر یک تجمعی فسیلی، ما باید بازه زمانی که نمایانگر آن است را بدانیم. برخی تجمعات فسیلی مانند ویرانههای پمپئی هستند — که به سرعت مدفون شده و بنابراین تصویری از جوامع گذشته را که در زمان منجمد شدهاند، ارائه میدهند. سایرین بیشتر شبیه به یک قبرستان پیشاتاریخی هستند که در طول قرنها به طور مداوم مورد استفاده قرار گرفته، که در آن بقایای انسانی از نسلهای مختلف به آرامی در طول زمان انباشته میشوند. هر دو نوع میتوانند بینشهای ارزشمندی درباره گذشته ارائه دهند، اما انواع دادههایی که میتوان از آنها استخراج کرد در هر مورد متفاوت خواهد بود.»
چندین نیرو میتوانند سن فسیلها را مخلوط کنند
علاوه بر جانوران حفار، چندین عامل دیگر نیز میتوانند بر میزان اختلاط زمانی در یک تجمعی فسیلی تأثیر بگذارند:
- میزان بقای بقایا مهم است. بیشتر موجودات قبل از اینکه بتوانند فسیل شوند تجزیه میشوند یا توسط لاشخورها مصرف میشوند، به همین دلیل است که سوابق فسیلی دریایی و خشکی توسط ساختارهای بادوام مانند پوستهها و استخوانها تسلط دارند. حتی این مواد نیز در نهایت اگر به اندازه کافی سریع مدفون نشوند، تجزیه میشوند.
- نرخ تجمع رسوبات نیز مهم است. رسوبگذاری در اقیانوس و در طول زمان متغیر است. دلتاها میتوانند رسوبات را به سرعت انباشته کنند، در حالی که سایر محیطها مقادیر کمی را در طول دورههای طولانی دریافت میکنند. وقتی رسوبات به آرامی تشکیل میشوند، بقایای اسکلتی از دورههای مختلف میتوانند با هم انباشته شوند، در حالی که دفن سریعتر این اختلاط را کاهش میدهد.
- بهرهوری زیستی بر تعداد فسیلهای موجود تأثیر میگذارد. تعداد فسیلهایی که دیرینشناسان احتمالاً در مکان خاصی پیدا خواهند کرد، به شدت مرتبط با تعداد موجوداتی است که زمانی در آنجا زندگی میکردند و فرصت فسیل شدن داشتند.
رسوبگذاری به عنوان قویترین کنترل ظاهر میشود
پس از پروژهای به مدت ۲۰ سال، کنسرسیوم بینالمللی محققان اعلام کرده است که تعیین کرده کدام یک از این تأثیرات رقابتی مهمتر است. نتایج آنها نشان میدهد که نرخ رسوبگذاری، کنترلکننده اولیه بر میانگینگیری زمانی و بنابراین بر وضوح زمانی دادههای دیرینشناختی است.
ناوروت نوشت: «نتایج ما نشان میدهد که اگر بدانیم رسوبات چقدر سریع انباشته میشوند — که میتوان از زمینه محیطی آن استنباط کرد — میتوانیم تعیین کنیم که یک تجمعی فسیلی خاص چه مقدار زمان را در خود جای داده است: هرچه پوستهها یا استخوانهای فردی سریعتر زیر سطح رسوبات مدفون شوند، احتمال کمتری وجود دارد که بقایای چندین نسل از موجودات با هم انباشته و حفظ شوند.»
محققان مدتها حدس میزدند که رسوبگذاری نقش مهمی ایفا میکند. چالش اصلی، به دست آوردن تعداد کافی از سن فسیلها از محیطهای کافی برای آزمایش دقیق آن ایده بود، وظیفهای که نیازمند مقادیر قابل توجهی زمان، داده و پول است.
هزاران فسیل ایده را به آزمون گذاشتند
مقیاس تحلیل با ترکیب چندین پروژه تحقیقاتی امکانپذیر شد. به طور کلی، نویسندگان بیش از ۷۵۰۰ فسیل را که از محیطهای دریایی در سراسر جهان جمعآوری شده بود، بررسی کردند، از آبهای ساحلی کمعمق تا لبههای shelfهای قارهای. نمونهها با استفاده از روشهای رادیوکربن و سایر تکنیکها تاریخگذاری شدند.
گروههای تحقیقاتی شرکتکننده، مستقر در استرالیا، اتریش، جزایر باهاما، برزیل، آلمان، ایتالیا، اسلواکی و ایالات متحده، به طور مستقل فسیلها را جمعآوری و تحلیل کرده و یافتههای خود را در حدود دو دهه منتشر کرده بودند. پس از آگاهی از همپوشانی در کارشان، دادههای خود را ترکیب کردند.
میخال کووالفسکی، نویسنده مشترک ارشد مطالعه و کرسی دیرینشناسی بیمهرگان در موزه فلوریدا برای تاریخ طبیعی، گفت: «هیچ چیز از این مقیاس قبلاً_attempt_ نشده است زیرا انجام آن به سادگی امکانپذیر نیست، اما خوشبختانه به این واقعیت که ما تیمهای زیادی داشتیم که روی موضوعات مشابه کار میکردند و از روشهای مشابه استفاده میکردند، توانستیم آن را گردآوری کنیم.»
یکی از ابزارهای اصلی آنها تاریخگذاری رادیومتریک بود که از نرخ قابل پیشبینی تجزیه اتمهای رادیواکتیو به اتمهای پایدارتر و غیررادیواکتیو برای تخمین سن مواد معدنی و فسیلها استفاده میکند.
بسیاری از جانوران دارای اسکلتهایی هستند که حاوی کربن-۱۴، یک ایزوتوپ رادیواکتیو است که از طریق زنجیرههای غذایی حرکت میکند. گیاهان کربن-۱۴ را در طی فتوسنتز جذب کرده و در بافتهای خود ادغام میکنند. گیاهخواران با خوردن گیاهان آن را کسب میکنند، گوشتخواران از طعمه آن را دریافت میکنند و تجزیهکنندگان آن را از مواد آلی به دست میآورند. انسانها بخشی از همان چرخه هستند، به این معنی که هر بخش حاوی کربن بدن انسان رادیواکتیو است. کربن-۱۴ تابش را به صورت الکترونها آزاد میکند، که مواجههای قابل مقایسه با یک شوک الکتریکی مداوم اما به شدت ضعیف تولید میکند، نه تابش گاما مخربی که توسط اورانیوم ساطع میشود.
کربن-۱۴ نیمهعمری دارد — مقدار زمانی که طول میکشد تا نیمی از هر تعداد مشخصی از اتمهای رادیواکتیو تجزیه شوند — حدود ۵۷۳۰ سال. زیرا این ایزوتوپ در نهایت بسیار نادر میشود تا به طور قابل اعتماد اندازهگیری شود، محققان فقط میتوانستند برای سوابق فسیلی نسبتاً جدید، که حدود ۵۵۰۰۰ سال به عقب برمیگردد، از آن استفاده کنند.
آنها همچنین از راسمیزاسیون اسید آمینه، روشی تاریخگذاری مبتنی بر نسبتهای تغییر یافته بین فرمهای مختلف اسیدهای آمینه استفاده کردند. مانند ایزوتوپهای کربن، آن نسبتها به طور قابل پیشبینی با زمان تغییر میکنند و بنابراین میتوانند اطلاعاتی درباره سن ارائه دهند.
هزینه تاریخگذاری رادیوکربن و اسید آمینه دلیل اصلی این است که مجموعه دادهای از این اندازه قبلاً گردآوری نشده بود. گروههای تحقیقاتی فردی معمولاً میتوانند تنها تعدادی دهها نمونه را تاریخگذاری کنند، در حالی که ارزیابی میزان و علل میانگینگیری زمانی به هزاران مورد نیاز دارد. با پخش کردن آن هزینهها بین چندین آزمایشگاه در طول دو دهه، کنسرسیوم بسیاری از آن موانع را برطرف کرد. بهبودهای فناوری در تاریخگذاری رادیومتریک همچنین هزینهها را کاهش داد و به محققان اجازه داد تا با نمونههای بسیار کوچکتر کار کنند.
همکاری در نهایت منجر به چیزی شد که کووالفسکی و همکارانش میگویند ممکن است بزرگترین مجموعه از تاریخهای کربنی فسیلی باشد که تاکنون گردآوری شده است. فراتر از سوال اولیه درباره میانگینگیری زمانی، مجموعه داده اکنون میتواند از تحقیقاتی حمایت کند که قبلاً دنبال کردن آنها دشوار بوده است.
او گفت: «مجموعه داده به شدت قدرتمند است. ما اکنون روی چندین پروژه پیگیر کار میکنیم که جنبههای مختلف میانگینگیری زمانی و فرآیندهای مرتبط را بررسی میکنند. شما میتوانید از آن برای پاسخ به بسیاری از سوالات استفاده کنید، اما البته، ما با بزرگترین آنها شروع کردیم.»
شبیهسازیها یک عامل غالب را آشکار میکنند
با گردآوری سنهای فسیلی، محققان توزیعهای سنی شبیهسازی شده را در حالی که نرخهای بیوتوربیشن (اختلاط ناشی از جانوران حفار)، رسوبگذاری و تخریب فسیل را تغییر میدادند، ایجاد کردند. سپس آن الگوهای شبیهسازی شده را با توزیع سنی واقعی فسیلهای تاریخگذاری شده با کربن مقایسه کردند تا تعیین کنند کدام مدلها نزدیکترین شباهت را به آنچه مشاهده کردند بازتولید میکنند.
مقایسه نتیجه واضحی تولید کرد: نرخ رسوبگذاری، تأثیر غالب بر میزان اختلاط فسیلهای دورههای مختلف بود.
کووالفسکی گفت: «گاهی اوقات زندگی جذابتر از آنچه فکر میکردید واقع میشود. «در این مورد، نتیجه فراتر از هر رویایی است که ممکن بود وقتی شروع کردیم داشته باشیم.»»
دانستن اینکه رسوبگذاری قویترین کنترل را بر میانگینگیری زمانی اعمال میکند، میتواند به دیرینشناسان اجازه دهد تا با اطمینان بیشتری تعیین کنند که یک تجمعی فسیلی چه مقدار زمان را نمایانگر است و به سوالاتی بپردازند که قبلاً پاسخ دادن به آنها دشوار بود. اگر همان رابطه برای اقیانوسهای عمیقتر در گذشته زمینشناختی اعمال شود، محققان ممکن است بتوانند یافته را به فسیلهای بسیار قدیمیتر از محدودیت تقریبی ۵۵۰۰۰ ساله تحمیل شده توسط کربن-۱۴ قابل اندازهگیری نیز تعمیم دهند.
ارجاع: «نرخ تجمع رسوبات وضوح زمانی تجمعات فسیلی دریایی را پیشبینی میکند» توسط میخال کووالفسکی، آدام توماشوویچ، رافال ناوروت، دانیله اسکارپونی، مارتین اشتشین، پائولو جی. آلبارنو، کوان هوا، دارل اس. کافمن، سوزان ام. کیویل، ماتیا ریتر، مارسلو جی. سیمز، لوئیس تورس، بتینا باخمان، مایکل برنسمایر، تروی ای. دکستر، الکساندرا هازلمیر، ایوو گالمتر، کلودیو پلگرینی، لوکاس شوایلگ، جان اشتگر و متیو ای. کوسنیک، ۲۹ ژوئیه ۲۰۲۶، Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2615368123