методичка по палеонтологии 2003. Программам высшего профессионального образования по специальности Геологическая, съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых
 Скачать 2.1 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение Оренбургский государственный университет Бугурусланский филиал Кафедра общематематических и естественнонаучных дисциплин Т.Г.Кудряшова ОСНОВЫ ПАЛЕОНТОЛОГИИ Часть 1 Рекомендовано Ученым советом государственного образовательного учреждения Оренбургский государственный университет в качестве учебного пособия для студентов заочной формы обучения, обучающихся по программам высшего профессионального образования по специальности Геологическая, съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых» Оренбург 2002 3 ББК я К УДК 56 (075.8) Введение Палеонтология, и её основные задачи. В ряду естественных наук почетное место занимает палеонтология. В буквальном переводе палеонтология означает - знание, наука о древней жизни. Отсюда понятно, что палеонтология изучает представителей животного и растительного мира прошлых геологических эпох, большинство из них уже вымерли некоторые виды, появившись в отдаленном прошлом, без видимых изменений существуют и ныне. Палеонтология по объектам изучения может быть подразделена на палеозоологию и палеоботанику. Палеозоология объединяет палеозоологию беспозвоночных и позвоночных животных. Палеозоологические объекты могут быть доступны непосредственному, визуальному изучению известны микроорганизмы, сохраняющиеся ив больших количествах, в ископаемом состоянии. Их изучение невозможно без привлечения микроскопов, в том числе и новейших - электронных. Исследованием подобных микроорганизмов занимается микропалеонтология. Палеоботаника также является чрезвычайно дифференцированной отраслью палеонтологии. Отдельные исследователи изучают остатки ископаемой древесины, другие листья споры и пыльцу. Палеонтология является биологической наукой и овладение ею невозможно без знания основ зоологии и ботаники. Для чего же палеонтология нужна геологу, специализирующемуся в области поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, работающему над составлением геологических карт Ученый, основатель Палеонтологического института, академик А.А. Бо- рисяк называл палеонтологию служанкой геологии. Посмотрите на любую геологическую карту, вы увидите, что поверхности хорошо известных континентов причудливо раскрашены различными цветами. Это объясняется тем, что все породы, наносимые на геологическую карту, различаются по возрасту породы определенного возрастного интервала закрашиваются на геологических картах определенным цветом. По выражению академика Б. С. Соколова стержнем геологии является геохронология. С помощью радиоизотопных методов определения возраста минералов игорных пород определен возраст нашей планеты, он составляет 4,5 млрд. лет. На основании изучения закономерностей развития органического мира составлена геохронологическая шкала. Таким образом, основная задача палеонтологии заключается в установлении возраста горных пород. Решение этой задачи имеет большое практическое значение при геологическом картировании и при поисках различных, полезных ископаемых, геологоразведочных работ. Вторая не менее важная задача палеонтологии - способствовать восстановлению условий, в которых происходило образование тех или иных полезных ископаемых и вмещающих пород. Так в пластах каменных углей карбонового периода встречается большое количество стволов древовидных растений. Что можно сказать об условиях, в которых произрастали эти растения. Очевидно, климат в период произрастания этих деревьев был теплым, влажным, почти тропическим. Это мы заключаем потому, что стволы лишены годичных колец, присущих деревьям умеренного пояса, кроме того, клетки, образующие древесину ископаемых стволов, характеризуются относительно крупными размерами, что также типично для тропической растительности. Рассмотрим теперь пример с морскими отложениями. На юге европейской части нашей страны широко распространены отложения мелового периода, представленные толщами писчего мела. Под микроскопом мы увидим, что мел состоит из мелких раковинок фораминифер (тип простейших. О чем это говорит геологу Меловые отложения образовались в теплом морском бассейне, где среднегодовая температура не ниже 20° - но только при этой температуре простейшие могут использовать карбонат кальция, находящийся в растворенном состоянии в морской воде, для строения наружного скелета в виде раковины. На какой же глубине образовались эти осадки Долгое время считалось, что толщи писчего мела образовались на больших глубинах. Однако, в меловых породах были обнаружены крупные раковины двухстворчатых моллюсков род Inoceramus), достигающие длины 20-30 см. Такие крупные формы не могли обитать на значительных глубинах они были бы раздавлены давлением столба морской воды. Наличие в морских меловых осадках крупных раковин Inoceramus позволяет считать их отложениями мелководья. Установление условий осадконакопления не самоцель, а необходимое условие поиска различных полезных ископаемых. В палеонтологии выделены следующие направления изучение строения живших ранее животных и растений (морфология выяснение их родственных связей и закономерностей эволюции (филогения выяснение образа жизни и условия их обитания (палеоэкология классификация родственных организмов в виде определённой системы (систематика установление их распределения в слоях земной коры и на поверхности Земли (биостратиграфия. Входе геологической истории органический мир непрерывно эволюционировал. В течение каждого отрезка геологического времени жили опреде- лённые виды организмов по которым можно установить возраст горных пород, последовательность и условия их образования. Эволюция животных и растений тесно связана с геологическим развитием земной коры, поэтому закономерности изменения органического мира можно установить только совместно с изучением геологической истории Земли. Палеонтология изучает сохранившееся в ископаемом состоянии остатки животных и растений, окаменелости, или фоссилии. К окаменелостям, или фоссилиям относят также следы жизнедеятельности организмов (ползание и другие виды перемещений, следы сверления и т.д.). В каких же формах сохраняются скелетообразующие организмы, или что же изучает палеонтология Обычные формы сохранности. Переход организмов из биосферы в литосферу называется фоссилизацией. После гибели животных и растений происходит довольно быстрое разрушение мягких тканей, которые сгнивают, разлагаются и пожираются тру- поедами. Лишь сравнительно небольшое количество животных сохраняется полностью, в случаях скорейшего погребения под осадки, предохраняющим организм от дальнейшего разложения. Наиболее часто в ископаемом состоянии встречаются Скелеты и их части. Сохраняются скелеты известковые, кремневые. Скелеты сохраняются либо полностью, либо в виде отдельных фрагментов. Внутренние и внешние ядра. Внутреннее ядро представляет слепок внутренней полости раковин. Оно образуется при заполнении полости, освобожденной от мягкого тела, осадком. При проникновении в полость раковины насыщенных растворов, она заполняется друзами кристаллов. Внутреннее ядро нередко отражает наружную скульптуру. Внешние ядра образуются после разрушения раковин и образования отпечатков и заполнение возникших полостей осадком. Внешние ядра чаще всего бывают песчаными, известковыми, фосфатными. Отпечатки. Отпечатки скелетов встречаются довольно часто. Они возникают в результате полного уничтожения скелетов. Отпечатки мягкого тела встречаются относительно редко и представляют значительную ценность. Наиболее древние отпечатки медуз, кольчатых червей, некоторых членистоногих. Следы жизни, или биоглифы. К следам жизни относятся все проявления жизнедеятельности. Следы могут быть оставлены как на поверхности осадка (экзоглифы), таки проникать внутрь его (эндоглифы). Экзоглифы - это следы ползания, следы лежания, к экзоглифам относятся норки зарывающихся организмов. К следам жизнедеятельности относятся также копролиты - ископаемые экскременты животных. Копролиты дают ценный материал для изучения пищи некоторых позвоночных. Копролиты являются источником информации об окружающей наземной растительности, поскольку в них хорошо сохраняются семена, пыльца и споры. Особые формы растений и животных. Остатки растений, стволы, листья, плоды и семена встречаются в угле- фицированном состоянии. Процесс унификации чрезвычайно сложен, он заключается в преобразовании растительных остатков в торф, бурый уголь, антрацит и графит. Эти преобразования происходят, в основном, в условиях теплого, влажного климата. Одной из своеобразных форм сохранности являются включения насекомых в янтаре. Иногда окаменелости свидетельствуют о космических катастрофах. В обломочной породе находятся уникальные по сохранности моллюски и брахиоподы, которые несут следы механических ударных деформаций. Эти деформации возникли при взрыве крупного каменного метеорита, когда развивались большие давления и высокие температуры. К редким случаям сохранности относятся захоронения насекомых в янтаре, в смолах. Довольно редки случаи захоронения позвоночных в битумах, во льду, в солях. Сборы и методы обработки окаменелостей Чаще всего фоссилии встречаются в осадочных породах. Нередки окаменелости в метаморфических породах - мраморах и сланцах. Окаменелости встречаются в вулканогенных породах. Их собирают в естественных и искусственных обнажениях (береговые обрывы, стенки карьеров, железнодорожных и шоссейных выемок, керн буровых скважин, различные горные выработки. Совершенно необходимо с помощью топографической карты определить точное местонахождения места сборов. Кроме этого, необходимо точно указать, из какого именно слоя собраны данные окаменелости (привязать к слою. Методы изучения ископаемых остатков. Большинство ископаемых остатков (трилобиты, брахиоподы, моллюски, иглокожие и т.д.) определяются макроскопически. Для уточнения деталей строения скелета делаются разрезы, при шлифовке, отпечатке. Целый ряд ископаемых организмов (фораминиферы, губки, археоциаты, кишечнополостные, мшанки и т.д.) изучаются в ориентированных палеонтологических шлифах. Некоторые микроскопические объекты (остракоды, конодонты, споры, пыльца) исследуются в специальных препаратах, получаемых путём растворения породы в кислотах. 7 1 История палеонтологии Природа фоссилии интересует человека давно. Попытки их классифицировать принадлежат ещё Аристотелю, Аристотель подразделял животных на позвоночных (с кровью) и беспозвоночных (без крови. Аристотель считал, что новые жизненные формы возникают в процессе индивидуального развития. Золотой век античной науки сменился периодом господства феодально- церковной схоластики. Только во второй половине XV столетия, в эпоху Возрождения начался новый этап в развитии естественных наук, в том числе и палеонтологии. Леонардо да Винчи рассматривал окаменелости как остатки морских животных. Он считал, что горные породы с окаменелостями образовались на морском дне, а потом внутренние силы Земли превратили море в сушу и смяли остатки с окаменелостями в складки. В XVIII столетии распространились представления о том, что фоссилии являются остатками живых существ, погибших вовремя всемирного потопа. Большую роль в формировании материалистического мировоззрения в XVIII веке сыграл наш соотечественник МВ. Ломоносов (1711-1765). Ломоносов отвергал представление о потопе. Он доказывал, что осадочные горные породы образовались в морях прошлого, о чём свидетельствуют остатки морских животных. Ломоносов считал, что смена периода на Земле обуславливалась наступлением и отступлением моря на сушу. Первые палеонтологические сборы в нашей стране поступали на хранение в Кунсткамеру учрежденную по приказу Петра I (1718). Кунсткамера стала родоначальником естественноисторических музеев, в том числе и Палеонтологического музея АН СССР. Большое значение для развития науки имели труды шведского ученого- естествоиспытателя Карла Линнея. Линней допускал изменяемость видов растений и животных под воздействием внешней среды ив результате скрещивания. К началу XIX столетия палеонтология накопила большой фактический материал и оформилась как самостоятельная естественнонаучная дисциплина. Говоря о становлении палеонтологической науки, следует упомянуть об английском геологе Смите и о французских биологах Ж.Б. Ламарке и Ж. Кю- вье. У. Смит впервые попытался использовать окаменелости для сопоставления геологических разрезов и для установления возраста содержащих их горных пород. Смит сформулировал основной принцип стратиграфии. Этот принцип гласит, что одновозрастные отложения содержат одинаковые окаменелости. Палеонтология, благодаря работам Смита, тесно соединилась с геологией, оставаясь при этом наукой биологической. Биологические основы палеонтологии закладывались трудами Ламарка и Кювье. Ламарк отрицал идею неизменности и постоянства видов и доказывал медленную и постоянную изменчивость видов и наличие между ними постепенных переходов. Ламарк создавал свою систему органического мира. Ла- марк впервые сформулировал закон наследственности все, что было приобретено или потеряно организмом в процессе индивидуального развития сохраняется и передается потомству. Жорж Кювье был ярким выразителем идеи неизменности видов. Кювье подразделял всех животных на четыре типа позвоночные моллюски членистые лучистые. Кювье, изучая позвоночных кайнозоя не мог не отметить, что различные слои земной коры содержат костные остатки, отличающиеся друг от друга. Фактические данные противоречили представлениям Кювье о неизменности видов. Пытаясь увязать эти противоречия, Кювье сформировал теорию катастроф, или катаклизмов, в органическом мире Земли происходили внезапные скачкообразные изменения в истории Земли было три крупных катаклизма (последний из них повремени- библейский потоп. Катаклизмы захватывали обширные участки, ноне были глобальными. Несмотря на то, что теоретические представления Кювье были реакционными даже для своего времени, он вошел в науку как создатель сравнительной анатомии, как крупнейший исследователь кайнозойских млекопитающих Западной Европы. В России идеи изменяемости видов развивались X. Пандером. Он описал коллекции силурийских и девонских рыб, впервые выделил конодонтов. Громадное влияние на дальнейшее развитие эволюционной палеонтологии имели труды русского академика К. Бэра. Изучая зародышей позвоночных, Бэр установил следующий закон зародыши высших животных напоминают зародышей низших организмов. Благодаря выявлению этой закономерности эмбриология, совместно с палеонтологией и сравнительной анатомией стала источником доказательства эволюции жизни. Крупнейшим русским ученым эволюционистом был профессор Московского университета К.Ф. Рулье. Им заложены основы экологического направления в зоологии и палеонтологии. Эволюционное учение было оформление английским натуралистом Ч. Дарвином в его труде Происхождение видов которое содержит следующие положения для всех организмов характерна изменчивость признаков и свойств под воздействием условий окружающей среды размножение особей вида происходит в геометрической прогрессии, но до взрослого состояния доживает незначительная часть особей, большинство погибает в результате борьбы за существование- естественного отбора. Дарвин придавал большое значение палеонтологическим данным. Он впервые высказал мысль о неполноте палеонтологической летописи и сформулировал закон о необратимости эволюции. Большую роль в распространении идей дарвинизма в Западной Европе сыграли такие палеонтологи как Т.Г. Гексли, М Неймайр, Луи Долло, а в России, братья ВО. и АО. Ковалевские, А.П. Карженский, НИ. Андрусов, КА. Тимирязев, А.А. Борисяк, А.П. Павлов и др. Особенно широко развернулись палеонтологические исследования в нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции. Организатором палеонтологии в нашей стране с полным правом можно назвать академика А.А. Борисяка, по инициативе которого был создан Палеонтологический институт АН СССР, который возглавлялся им с 1930 по г. В палеонтологии А.А. Борисяк выделял три основных направления изучение формы (морфологию проблему вида (систематику проблему взаимоотношений организма и среды (палеоэкологию. В 1919 году были созданы кафедры палеонтологии в Московском и Ленинградском университетах, впоследствии в Томском университете. В настоящее время палеонтологические исследования сосредоточены в институтах Академии наук РФ, в системе Министерства геологии РФ, Министерствах угольной, нефтяной и газовой промышленности РФ. 2 Биономические области моря Взаимоотношения организма и среды в геологическом прошлом является предметом палеокологии. Все организмы на Земле группируются в общества, которые называются биоценозами. Иными словами, биоценз - это комплекс организмов, живущих совместно при определенных факторах среды. Каждый организм, входящий в состав биоценоза, занимает определенную экологическую нишу, то есть определенное место в окружающей среде. Территория, занимаемая биоценозом, называется биотопом. Организмы, образующие биоценоз, по разному реагируют на изменение условий среды солености, температуры, давления и т.д. Организм может существовать в широком диапазоне изменяющихся условий, либо в строго определенных рамках. В первом случае прибавляется приставка эври-(- широкий, во втором случае приставка стено -(- узкий. Фактор организм Глубина бассейна эврибатный, стенобатный Соленость эвригалинный, стеногалинный Температура эвритермный, стенотермный Если для существования организма предпочтителен какой-то определенный фактор, то добавляется суффикс - фильный (от греч.-люблю), или - фобный ( от греч- страх. Например, гидрофобные организмы - организмы, не переносящие повышения солености. Условия обитания животных на суше. Пространства суши занимают 1/3 нашей планеты. Условия жизни на суше крайне разнообразны. Распределение жизненных форм на суше зависит, главным образом, от климата. На суше обитают многие растения (подавляющее большинство, позвоночные животные и многие типы и классы беспозвоночных. Распределение жизни в Мировом океане. Для того, чтобы в ископаемом состоянии сохранились остатки животных или растений, необходимо сочетание ряда благоприятных условий в биосфере должна сложиться ситуация, приводящая к концентрации живых организмов на определённой территории органические остатки должны быть захоронены в осадке (как правило, вводной среде захороненные остатки организмов должны пройти процессы фоссилизации (окаменения. Каждому из этапов перехода живого в ископаемое состояние отвечает свой тип скопления. В биосфере - это биоценоз (сообщество живых организмов, в области захоронения - тафоценоз (скопление захороненных остатков, после процессов фоссилизации - ориктоценоз (местонахождение ископаемых остатков. Каждая из последующих стадий неравна предыдущей, и ориктоценоз во много раз беднее биоценоза. Современные биоценозы моря и суши многочисленны и разнообразны, но палеонтологическая характеристика морских отложений богаче континентальных – это объясняется лучшей сохранностью органических остатков в море. Обитающие морские организмы приурочены к определённым зонам обитания - биономическим зонам моря. Литоралью называется прибрежная зона приливов и отливов живущие здесь организмы приспособились к периодическим осушениям и сильным волнениям воды. Далее до глубины 200 метров, следует сублитораль - наиболее благоприятная зона для обитания организмов, здесь живут разнообразные водоросли и живёт масса животных. Ниже от 200 до 500 метров находится эпибатиаль - эта зона охватывает пониженные участки шельфа, примыкающие к континентальному склону, здесь исчезают растения и резко уменьшается число животных. Батиаль - расположена на континентальном склоне до глубины метров. Глубже - абиссаль - эта зона охватывает огромные площади ложе Мирового океана. Ложе океана отделяется от материкового подножья узкой желобообраз- ной впадиной - глубоководным желобом. Рельеф океанического ложа очень неровный. Он состоит из крупных понижений (котловин) и поднятий (хребтов и возвышенностей. Вершины подводных хребтов поднимаются над уровнем океана в виде островов, В срединной части Атлантического, Индийского и Ледовитого океанов выделяются крупные широкие поднятия дна - с сильно расчлененным рельефом - это срединные океанические хребты (в Тихом океане хребет смещен в сторону американского континента, собственно уже не является срединным. Таким образом, дно Мирового океана четко делится наследующие зоны материковая отмель (шельф, материковый склони материковое подножье образуют в совокупности подводную окраину материка переходная зона - это островные дуги и глубоководные желоба ложе океана - комплекс океанических котловин и поднятий срединно-океанические хребты. Всё разнообразие фауны Мирового океана по образу жизни делится натри группы планктон, нектон, бентос. Самая значительная группа организмов принадлежит планктону она слагается микроскопическими растительными и животными организмами свободно переносимыми потоком воды. Растительный планктон называется фитопланктоном. Фитопланктон создает основную массу органического вещества - это продуцент океана. К фитопланктону принадлежат одноклеточные водоросли. Зоопланктон питается фитопланктоном. Среди зоопланктона много микроскопических рачков, червей, медуз и других животных. Зоопланктон в отличие от фитопланктона, может активно плавать. 11 Однако, активное перемещение осуществляется лишь на небольшие расстояния. Зоопланктон способен к вертикальным перемещениям в толще океанических вод. Морские течения переносят планктонные организмы на значительные расстояния. Группа активно плавающих животных относится к нектону, это рыбы, китообразные, кальмары и осьминоги, морские змеи и птицы (пингвины. Обитатели дна океана относятся к группе бентоса. Бентосные животные способны передвигаться по дну (многие членистоногие, моллюски, морские ежи, звезды и т.д.), прикрепляться ко дну (кораллы, мшанки, плеченогие, губки, водоросли. Бентосные организмы приурочены, в основном, к материковой отмели, или шельфу, те. обитают на глубине от 0 дом. Материковый склони материковое подножье бедны бентосом. Значительное количество бентоса приурочено к глубоководным желобам или ультраабиссали. В глубоководных желобах имеется много бентосных форм - губки, одиночные кораллы, двухствор- чатые и брюхоногие моллюски, некоторые ракообразные и иглокожие (морские лилии, морские звезды, змеехвостки и т.д.). В бентосе ультраабиссали отсутствуют водоросли. Условия в абиссали очень своеобразны население этих зон океана приспособленок отсутствию света, к высоким давлениями к довольно низким концентрациям органического вещества. Вся толща вод Мирового океана получила название пелагиали. В пела- гиали обитают планктонные и нектонные организмы. Онтогения и филогения. Онтогенез и филогенез - совокупность преобразований, претерпевае- мых организмом от зарождения до конца жизни. Филогенез - процесс исторического развития мира организмов, их видов, родов, семейств, отрядов, классов, типов, царств. Филогенез рассматривается в единстве с индивидуальным развитием организмов - онтогенезом. Эволюционное развитие группы (филогенез) осуществляется главным образом путём дивергенции (расхождения признаков. Крайней формой дивергенции является адаптивная радиация. Принцип адаптивной радиации установленный ВО. Ковалевским, может быть сформулирован следующим образом родственные организмы под воздействием различных факторов окружающей среды могугприобрести различные черты строения. Противоположным закону адаптивной радиации может считаться принцип конвергенции (схождение признаков неродственные организмы под воздействием сходных условий обитания приобретают сходные черты строения. В эволюции могут проявляться параллелизм (сходство организмов, имеющих общее происхождение, унаследованное от общих предков) и гомео- морфия (морфологическое сходство близкородственных форм, принадлежащих к одной систематической группе, ноне связанных филогенетически). Индивидуальное развитие организма (онтогенез) в сокращённой форме как бы повторяет историю развития предковых групп. Такое повторение (рекапитуляция) является основой биогенетического закона Ф. Мюллера и Э. 12 Геккеля: онтогенез является короткими быстрым повторением филогенеза, обусловленным физиологическими функциями наследственности (воспроизведения) и приспособляемости (питания. Проблема наследования признаков была решена Г. Менделем, сформулировавшим основные законы генетики. Эволюционное учение Ч. Дарвина в сочетании с генетикой легли в основу современной синтетической теории эволюции. Правила палеозоологической номенклатуры. Существует научная дисциплина, занимающаяся классификацией организмов. Она называется систематикой. Основателем современной классификации (систематики) был швецкий натуралист К. Линней (1707-1778гг.). Классификация- группировка организмов сродственными (филогенетическими) отношениями. Номенклатура - система наименований животных и растений. По этой номенклатуре названия организмов даются на латинском языке. Правила её изложены в Международных правилах номенклатуры ив Международном кодексе ботанической номенклатуры и являются обязательными. Основной единицей систематики является вид - совокупность особей, обладающих общими морфологическими, биологическими и генетическими признаками. Все остальные систематические единицы строятся на базе группировки видов. Схема сопотчинённости основных систематических единиц, принятых в палеонтологии, следующее Царство (Regnum) Тип (Phylum) Класс (Classis) Отряд (Ordo) Семейство (Familia) Род (Genus) Вид (Species). Иногда возникает необходимость в дополнительных единицах - под- касс, надотряд и т.д. Каждая единица до рода включительно обозначается одним латинским словом - одинарная номенклатура. Название вида включает два слова - название рода и собственно вида, те. бинарная номенклатура. Например, Calceola sandalina linne (туфелеобразный одиночный коралл, Calceola - наименование рода. Видовое название всегда пишется в бинарной номенклатуре. После каждой систематической единица обязательно указывается фамилия палеонтолога, установившего её (в этом примере - Линней). Если вид установлен достоверно, применяется закрытая номенклатура. В случае приближённых видовых определений используется открытая номенклатура. Основными вариантами открытой номенклатуры является species - неопределимый до вида (например Cal- ceola sp); conformis - сходный по форме (например Calceola cf. Sandalina); af- finis - близкий, родственный (например Calceola aff. Sandalina); ex grege - из группы (например Calceola ex.gr. Sandalina). 13 |