Тафономия

Путь между смертью животного, оставшимся под землей, окаменением и палеонтологами, находящими и исследующими его окаменелость на этом месте.

Тафономия (от греч. τάφος — «могила, погребение», и νόμος — «закон») — наука являющаяся подразделом палеонтологии, изучающая за­ко­но­мер­но­сти за­хо­ро­не­ния ор­га­низ­мов. Занимается анализом сохранившихся окаменелостей и опирается на результаты изучения различных других дисциплин, к которым относятся химия и биохимия, геология, биофизика и физиология. Термин «тафономия» как и основы научной дисциплины были разработаны российским учёным Иваном Антоновичем Ефремовым в 1940-е — 1950-е годы.

Основы

Исследования И. А. Ефремова, проведенные в середине XX века, обобщили основные принципы образования ископаемых. Он объяснял, что местонахождение ископаемых образуется путем постепенного накопления тел организмов на месте их обитания или в процессе их переноса в ловушки, такие как водные потоки или течения. Последующие осадки «запечатывают» останки, защищая их от разрушительного воздействия внешних факторов и других организмов. Процесс образования окаменелостей происходит в результате диагенеза, когда осадочные породы каменеют вместе с останками, превращаясь в горные породы. Ефремов широко использовал методы литологии для определения особенностей формирования местонахождений ископаемых. Его работы имеют важное значение для реконструкции древних сообществ организмов и восстановления условий их обитания, а также для понимания особенностей жизни древних животных и растений.

Образование окаменелостей

Процесс окаменения происходит в несколько последовательных фаз, которые более подробно описаны ниже:

• Смерть
• Разложение: гниение (аэробное), гниение (анаэробное), мумификация (абиотическое), карбонизация (анаэробное)
• Встраивание
• Дегазация
• Диагенез и метаморфоз

В зависимости от обстоятельств эти фазы могут повторяться или проходить в другом порядке. Например, организм может быть замурован сразу после смерти или погибнуть только в результате замуровывания (в таких средах, как битум, зыбучие пески или лёд). Организм также может быть вскрыт спустя долгое время после встраивания, а затем разложиться до повторного встраивания. Так часто происходит с ледяными трупами, которые выходят из ледника после тысячелетнего пребывания в нём и заселяются новыми микроорганизмами и макроорганизмами, прежде чем снова попадают в лед, затем в осадок и окаменевают в породе по прошествии геологических периодов.

Окаменение начинается с момента смерти организма. Хорошо, если смерть не будет замечена современниками, которые питаются тушами. Для хорошей сохранности также важно, чтобы смерть не была вызвана сильными разрушительными силами, такими как камнепад. Смерть от болезни или утопления более благоприятна. В принципе, любое тело может быть сохранено в подходящих условиях, независимо от содержания в нём твердых и мягких частей, но подходящие условия для сохранения мягких частей и хрупких твердых частей встречаются гораздо реже, чем подходящие условия для сохранения массивных твердых частей.

Окаменелости — это, по сути, неполные останки живых организмов. В зависимости от того, в каких условиях находился окаменелый организм после смерти или каким процессам он подвергся, неполнота выражена в большей или меньшей степени. Как правило, она очень выражена.

Разложение

Мягкотелая сохранность ящерицы Parachute Creek, формация Грин-Ривер, США. Большая часть скелета декальцинирована.

Будучи аэробным процессом разложения, гниение не является стадией окаменения. Тем не менее, окаменевший организм часто подвергается разложению первым, поскольку оно начинается сразу после смерти. В процессе разложения органические соединения тканей тела (белки, жиры, сахара) окончательно распадаются на простые неорганические соединения (углекислый газ, соли). В химической части разложения участвуют в основном микроорганизмы, а механическую часть выполняют микроорганизмы-некрофаги и позвоночные (падальщики), которые разгрызают трупы, уносят или просто поедают части тела. Если организм остается на поверхности осадка, это приводит к полному исчезновению мягких частей. Если же он изначально частично погружен в осадок, то разложение может затронуть в основном не погруженные участки.

Разложение происходит неравномерно на всех участках тела. В частности, области вокруг естественных (глаза, рот, анус и т. д.) или «неестественных» отверстий тела (травмы) разлагаются гораздо быстрее. У позвоночных животных особенно быстро разлагается область вокруг рта, что часто приводит к потере нижней челюсти, особенно у свободно плавающих туш или перемещенных в процессе разложения. В таких окаменелостях эти части отсутствуют. Визуальные наблюдения за недавними чайками показали, что тушки птиц могут полностью сохраниться в ископаемом виде только на суше или на берегу. В воде тело разлагается, плавая на поверхности, из-за высокой плавучести (из-за полых костей). Разложение ускоряется при высокой температуре окружающей среды и влажности, а также затрудняется при отрицательных температурах или сухих сквозняках, например, в пустынных районах.

Если тело мертвого организма попадает в аноксическую среду, разложение не происходит или прекращается преждевременно или временно. Из-за недостатка кислорода возникает гниение, которое расщепляет вещества тела без доступа кислорода. В этих случаях в процессе разложения могут участвовать только анаэробные микроорганизмы, но они оставляют после себя значительно больше мягкотканного вещества тела.

Мумификация происходит при определённых условиях, например, при низкой температуре окружающей среды, сухом воздухе, сквозняке или под воздействием токсичных веществ. Вначале образуются мумии, которые при вложении превращаются в неразложившиеся окаменелости с сохранением мягких частей. Однако сами по себе мумии не превращаются в окаменелости без встраивания, в том числе и потому, что на Земле нет районов, где лед над поверхностью Земли или сухой. На поверхности Земли нет ни одного места, где бы в течение сотен миллионов лет не было ледяного или очень сухого климата. При изменении условий окружающей среды такие тела обычно полностью распадаются. Сухие мумии очень быстро разлагаются под воздействием микроорганизмов при попадании влаги, а ледяные мумии могут быть даже переотложены и разбросаны падальщиками. Открытые мумии со временем выветриваются. Поэтому мумии, относящиеся к разным геологическим периодам, неизвестны. Однако целые шерстистые мамонты, шерстистые носороги и другие ледяные трупы были найдены в вечномерзлых почвах Сибири и северной части Северной Америки, которые не оттаивали или оттаивали незначительно с конца ледникового периода. Однако такие окаменелости очень чувствительны к температуре и особенно подвержены разрушению во время неконтролируемых процессов оттаивания.

Другой процесс окаменения — карбонизация. В этом процессе органический материал подвергается трансформации в отсутствие воздуха, в ходе которой из него удаляются в основном кислород, водород и азот, а углерод относительно обогащается, пока не остается практически только углерод. С увеличением степени карбонизации можно получить бурый или каменный уголь. Этот процесс происходит в растительном материале.

Под первичным захоронением понимается первое погребение без повторного захоронения организма. Вторичное захоронение иногда происходит с пустынными животными, которые мумифицируются после смерти от жажды, долгое время лежат в защищенных местах и в конце концов сдуваются (возможно, несколько раз) и погребаются в песке. Ледяные мумии могут быть вскрыты, оттаяны и перенесены по воде в другое место, где их перезахоронят (в речном аллювиальном песке).

Существует множество вариантов дальнейшей судьбы тела до его окончательного захоронения. Когда организм наконец находит свое последнее пристанище, он помещается в субстрат, который в решающей степени определяет его дальнейшее развитие. В зависимости от типа горной породы возникают типичные ископаемые формы.

Особенности встраивания

Особенно благоприятно залегание в аллювиальном субстрате, таком как глина или ил. Однако чистые песчаные отложения (песчаники) редко содержат окаменелости, поскольку они разрушаются в ходе последующих кремнистых процессов (диагенеза). Хотя солончаки хорошо подходят для первоначального полного сохранения и высыхания организмов, они не позволяют образовываться окаменелостям, поскольку соль также растворяет организмы в ходе дальнейшего геологического процесса. Именно по этой причине соляные пласты не содержат окаменелостей. Даже болотные тела, которые изначально относительно хорошо сохранились, становятся окаменелостями только тогда, когда субстрат высыхает и окаменевает сам или когда его перезахоранивают. Погружение в рассол приводит к очень хорошей сохранности мягких частей, но лишь в редких случаях образует старые окаменелости. Высокая концентрация соли препятствует микробному разложению.

Тафономическое исследование черепа ребёнка из Таунга утверждает, что он, скорее всего, был убит крупной птицей, на что указывают следы когтевых порезов

Встречается также вкрапление в асфальт («выветрившаяся» нефть). Если крупное наземное позвоночное, например, крупный динозавр или крупное млекопитающее, случайно попадает в асфальтовое озеро или пруд, погружается в вязкую, липкую массу и уже не может освободиться, его панические звуки привлекают крупных хищников, которые, в свою очередь, могут снова застрять в асфальте. Так в асфальтовых водоемах часто развиваются автохтонные танатоценозы. Одним из самых известных примеров такого ископаемого месторождения являются смоляные ямы Ла-Бреа в Калифорнии.

Древесная смола является отличной средой для встраивания и позволяет сохранить структуру животных и растений до мельчайших деталей. Маленькие животные могут быть заключены в каплю древесной смолы, которая со временем превращается в янтарь. Такие включения называются инклюзами. Большинство животных, сохранившихся в янтаре, — это насекомые и арахниды, но иногда встречаются черви, улитки и даже мелкие рептилии. Помимо животных, в янтаре сохраняются части растений: пыльца, семена, листья, части коры и побеги. Однако включения в древесные смолы никогда не приводили к образованию древних окаменелостей, так как янтарь распадается в процессе диагенеза. Например, от каменноугольного периода не сохранилось ни одного янтаря. Большинство янтарных включений происходит из третичного и мелового периодов.

Дегазация

Дегазация — это анаэробный процесс, в ходе которого расходуются все компоненты организма, которые могут быть энергетически использованы микроорганизмами. При этом образуются углекислый газ, водород, аммиак, сероводород и другие газы. Мягкое вещество тканей при этом погибает, но обеспечивает другие вещества для заполнения межтканевого пространства. Со временем туша теряет большую часть своего вещества, оставляя после себя вторичные структуры в окружающем осадке. Газы уходят вверх через субстрат. Если следы этих газов сохраняются, то впоследствии их можно использовать для определения пространственного положения тела на этой стадии. Так же образуются области заполненные газом, которые позже заполняются новыми веществами, различимыми на окаменелости (геологические спиртовые уровни). По размеру небольших каналов, которые позже заполняются более мелким песком или другими веществами, можно определить, насколько мягкие ткани сохранились в трупе до встраивания. В идеале она должна быть неповрежденной, но часто на ней появляются ямки.

Вложенная и дегазированная туша подвергается той же участи, что и окружающий субстрат. Она становится все более покрытой (иначе окаменелости не образуются) и попадает под воздействие повышенного давления, а часто и повышенной температуры. Первый этап преобразования называется диагенезом; он имеет решающее значение для дальнейшей судьбы твердого вещества живых организмов. Он начинается, когда более мягкие осадки застывают и образуют осадочные породы, преобразуя первоначально отложенные осадки. Это преобразование затрагивает и вкрапленные остатки живых организмов, которые превращаются в настоящие окаменелости.

Диагенез начинается с превращения рыхлых осадочных пород в твердый субстрат по мере повышения давления. Диагенез также означает, что окаменелости часто уже не содержат первоначального материала, из которого были сделаны мертвые организмы. Его часто заменяют соединениями кремния (силикатизация). Это известно как метаморфоза горных пород. Горные породы, которые преобразуются под воздействием высокого давления и температуры, теряют свою структуру и больше не содержат окаменелостей. Такие породы называются метаморфическими или метаморфитами. Из-за диагенеза возраст окаменелости часто невозможно определить на основании её субстрата.