lauantai 11. toukokuuta 2019

Radiometriset ajoitusmenetelmät

Yleistä


Tiimalasissa hiekka vähenee tasaisella nopeudella 
suoraviivaisesti. Radioaktiivisessa hajoamisessa 
jäljelläolevan 'hiekan' määrä vähenee puoliintumis-
periaatteen mukaisesti: tietyssä ajassa puolet, 
sitten samassa ajassa jäljelläolevasta puolet jne.
Radiometriset ajoitusmenetelmät perustuvat siihen, että tiettyjen alkuaineiden jotkut isotoopit hajoavat tunnetulla vauhdilla toisiksi alkuaineiksi tai isotoopeiksi. Isotoopit ovat saman alkuaineen eri muotoja, joissa on eri määrä neutroneita atomin ytimessä. Epävakaan isotoopin ja hajoamistuotteiden suhteellisesta määrästä näytteessä voidaan tehdä laskelmia tutkittavan materiaalin iästä.

Puoliintumisajalla tarkoitetaan aikaa, jossa puolet epävakaasta, radioaktiivisesta isotoopista muuttuu toiseksi isotoopiksi tai alkuaineeksi. Eri aineilla voi olla hyvin erilaiset puoliintumisajat.

Eri alkuaineisiin ja isotooppeihin perustuvat menetelmät eroavat sen suhteen, minkälaisiin aikaväleihin ja materiaaleihin niitä voidaan soveltaa. Usein tutkitaan jotain magmakivilajia, josta voidaan saada selville ajankohta, jolloin se on jähmettynyt ja kiteytynyt sulasta tilasta - eli sen ikä tässä mielessä. Eloperäisistä aineksista voidaan niihin sopivalla menetelmällä saada selville kauanko on kulunut sen eliön kuolemasta, josta ne ovat lähtöisin.

Hajoamisnopeudesta johdettujen matemaattisten peruskaavojen käyttäminen edellyttää, että tutkittavasta aineesta ei ole muodostumisen jälkeen poistunut ulkopuolelle tai siihen ei ole tullut ulkoa lisää tutkittavaa radioaktiivista ainetta eikä hajoamistuotetta. Tällaisia seikkoja ja muita mahdollisia häiriötekijöitä joudutaan ottamaan huomioon. Esim. hajoamistuotteen 'vuotamisen' ei tarvitse kuitenkaan aina tehdä iän laskentaa mahdottomaksi, on olemassa astetta kehittyneempiä matemaattisia apuneuvoja näihinkin tilanteisiin.

Yksittäisissä mittauksissa voidaan saada vääriäkin tuloksia erikoisolosuhteista johtuen tai jos sovelletaan tilanteeseen sopimatonta menetelmää, mutta kaikenkaikkiaan kymmenet radiometriset ajoitusmenetelmät kertovat vakuuttavasti ja keskenään yhteensopivasti maapallon ja elämän suuresta iästä. Ja ne ovat vain osa vielä laajempaa todistusaineistoa, joka puhuu samaa kieltä.

Kalium-argon-ajoitus


Kalium-argon-menetelmä (K-Ar-, engl. Potassium-Argon-) perustuu kalium-40 -isotoopin radioaktiivisuuteen. Se hajoaa kahdeksi tytärisotoopiksi: 89.1 % kalsium-40:ksi ja 10.9 % argon-40:ksi puoliintumisajan ollessa noin 1.25 mrd vuotta. Menetelmää voidaan käyttää materiaaliin, joka on muodostunut vähintään 100 000 vuotta sitten. Lyhyemmällä aikavälillä argonin kertymä on liian pieni hyväksyttävien tulosten saamiseksi.

Kalium-kalsium-menetelmäkin olisi mahdollinen, mutta sitä ei yleensä käytetä, koska kalsium on niin yleinen aine ja sen alkuperäinen määrä on vaikea arvioida. Argon sensijaan on kaasu. Se ei pysy sulassa kiviaineksessa ja vasta kun magma tai laava jähmettyy ja jäähtyy, siihen alkaa kertyä argonia radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Ihannetilanteessa iän laskenta perustuu siis pelkästään argon-40:n ja kalium-40:n suhteelliseen määrään näytteessä. (Kaavassa kerroin 0.109 tulee siitä mainitusta seikasta, että argon-40:ksi hajoaa 10.9 %).

tK on kaliumin puoliintumisaika, Kf mitattu kaliumpitoisuus 
ja Arf mitattu argonpitoisuus

Aivan tarkkaan argon ei kuitenkaan lähtötilanteessa välttämättä poistu. Magmassa tai laavassa voi olla pieniä ilmakuplia ilmakehästä, jossa on noin 1% argonia. Tämä on huomioitava, jos tutkittava näyte on suhteellisen nuori tai siinä ei ole alkujaankaan ollut paljon kaliumia.

Ilmakehässä esiintyy muitakin argonin isotooppeja, joista yleisin on argon-36. Koska argon-40:n ja ja argon-36:n suhde ilmakehässä tunnetaan, ilmakehästä peräisin olevan argon 40:n määrä näytteessä voidaan päätellä mukana olevasta argon 36:n määrästä.

Joissain melko harvoin esiintyvissä tapauksissa näytteessä olevissa kaasukuplissa voi olla myös ylimääräistä maan sisuksissa magmasta erkaantunutta ja 'vangiksi jäänyttä' argon-40:ä jolloin kalium-argon-menetelmä antaa liian suuren iän. Tämä tilanne paljastuu kuitenkin uudemmassa argon-argon-menetelmässä.

Argon-argon-ajoitus


Argon-argon-menetelmä perustuu kalium-40:een ja argon-40:een aivan kuten kalium-argon-menetelmäkin ja sitä voidaan soveltaa samoihin kohteisiin. Siinä käytetään kuitenkin erilaista prosessia, jossa ei mitata suoraan kaliumia ja joka mahdollistaa myös näytteessä olevan ylimääräisen kaasukupliin vangiksi jääneen argon-40:n paljastumisen.

Kalium esiintyy luontaisesti kolmena isotooppina: K-39 (93.3 %), K-40 (0.0117 %) ja K-41 (6.7 %). Menetelmässä muunnetaan ensin osa kaliumin vakaasta isotoopista K-39 säteilyttämällä argon-39-kaasuksi. Se edustaa mittauksissa kalium-40:tä.

Toisessa vaiheessa näytettä kuumennetaan asteittain eri lämpötiloihin ja mitataan kussakin lämpötilassa vapautuneen argon-40:n ja argon-39:n suhde. Jos suhde on kaikissa mittauksissa vakio, ylimääräistä argon-40:tä ei ole mukana ja tästä suhteesta saadaan laskettua näytteen tarkka ikä, kun huomioidaan lisäksi säteilytyksen voimakkuus.

Voi kuitenkin käydä niin, että em. suhde on useimmissa tapauksissa lähes sama, mutta muutamissa lämpötiloissa tulee esiin suhteellisesti enemmän argon-40:tä. Tämä johtuu siitä, että eri kerroilla vapautuvat eri kohdassa näytettä olleet kaasut ja joillain kerroilla satutaan em. kaasukuplien kohdalle. Tällöin voidaan hylätä selvästi poikkeavat arvot ja käyttää iän laskennassa keskiarvoa noista riittävän yhtäpitävistä suhteista.

Kaavassa tK on kalium-40:n puoliintumisaika ja R on suhde Ar-40/Ar-39, jossa Ar-40:n määrästä on eliminoitu mahdollinen ylimääräinen osuus ylläkuvatulla menetelmällä. J on kerroin, joka on suhteessa säteilytyksen voimakkuuteen, jolla osa kalium-39:stä muutettiin kalium-40:tä 'edustavaksi' argon-39-kaasuksi.  

Kertoimen J määrittely vaatii sitä, että säteilytetään myös toista näytettä, jonka ikä tunnetaan. Se on täytynyt ajoittaa jollain muulla tavalla. Yleisin toinen menetelmä on kalium-argon-ajoitus.

Kuumennusvaiheen mittauksissa voi käydä joskus myös niin, että argon-40:n ja argon-39:n suhteet asettuvat esim. kahteen ryhmään, niin että ei voida varmuudella sanoa kumpi suhde on 'poikkeama'. Tällöin ikää ei saada. Voi olla kyseessä esim. tilanne, jossa kyseinen kivinäyte on sulanut ja jähmettynyt useammin kuin kerran, mutta vain osittain, eikä sillä tavallaan ole tiettyä 'oikeaa' muodostumisikää.
___

Kalium-argon ja argon-argon ajoituksessa tutkimuskohteena ovat usein tulivuoren­purkauksista peräisin olevat ainekset. Menetelmää voidaan soveltaa myös vanhojen fossiilien iänmääritykseen esim. tilanteessa, jossa fossiili sijaitsee tietyn vulkaanisen kerroksen alapuolella tai kahden vulkaanisen kerrostuman välissä. Silloin saadaan kerrostumien iänmäärityksellä fossiilin iälle alaraja (vähintään niin ja niin vanha)  tai sekä ala- että yläraja.

Argon-argon-menetelmää on kalibroitu tarkemmaksi 2000-luvulla, koska huomattiin sen antavan hiukan muista menetelmistä eroavia arvoja. Tämän hienosäädön suuruusluokka on noin 0.65 %. Niinpä esim. liitukauden lopussa tapahtuneen joukkosukupuuton, jolloin mm. dinosaurukset hävisivät, ajankohtaa on saatu tarkennettua. Aikaisemmin se ajoitettiin tapahtuneeksi 65 tai 65.5 mvs, nykyajoitus on 66 mvs.

Rubidium-strontium-ajoitus


Rubidium-strontium-ajoitus perustuu rubidiumin isotoopin Rb-87 hajoamiseen strontiumin isotoopiksi Sr-87. Puoliintumisaika on hyvin pitkä, noin 49.2 miljardia vuotta. Menetelmää on käytetty mm. vanhojen magma- ja metaformisten kivilajien ajoittamiseen sekä myös kuukiviin ja meteoriitteihin. 3 miljardin vuoden ikäisessä näytteessä virhemarginaali on luokkaa 30-50 miljoonaa vuotta.

Kivilajin ikää ei voida kuitenkaan suoraan laskea Sr-87.n ja Rb-87:n suhteesta, koska Sr-87:ä on jo valmiiksi mukana tuntematon määrä. Pohjaksi muutamia seikkoja, joita voidaan hyödyntää tämän ongelman ratkaisemisessa:

Strontiumilla on Sr-87:n lisäksi muitakin vakaita isotooppeja, esimerkiksi Sr-86. Kun kiviaines on sulassa tilassa, kaikki nämä strontiumin isotoopit jakautuvat tasaisesti magmaan. Niinpä lähtötilanteessa, kun kivi jäähtyy ja jähmettyy, strontium-87:n ja strontium-86:n suhde on kauttaaltaan sama. Ajan kuluessa strontium-87 kuitenkin lisääntyy rubidium-87:n hajoamisen johdosta ja tuo suhde muuttuu.

Toinen hyödyllinen seikka on se, että rubidium ei sovi yhtä hyvin kaikkien kiviaineksesta löytyvien mineraalien kiderakenteeseen ja jakaantuu sen takia epätasaisesti.

(Kuva Wikimedia)
Nyt lähdetään hieman matematiikan puolelle. Kuvassa pystyakselilla, eli kuten yleensä sanotaan, y-akselilla, on suhde Sr-87/Sr-86. Vaaka-akselilla (x-akselilla) on suhde Rb-87/Sr-86. A, B, C ja D edustavat kiviaineksen eri 'kohtia', eri mineraaleja, noiden arvojen suhteen.

Voidaan päätellä, että lähtötilanteessa, magman juuri jäähdyttyä, A-D olisivat samalla vaakasuoralla viivalla (himmeällä piirretty osa), koska pystyakselilla kuvattu suhde Sr-87/Sr-86 on sama. Eli siis strontiumin isotoopit ovat tasaisesti jakautuneet määränsä mukaisessa suhteessa. A-D ovat kuitenkin vaaka-akselilla eri kohdassa, koska suhde Rb-87/Sr-86 vaihtelee rubidiumin epätasaisen jakautumisen takia.

Kalteva suora kuvaa nykytilannetta ja siitä tehtyjä mittauksia. Hajoamistuotteen Sr-87 suhteellinen määrä on lisääntynyt sitä enemmän, mitä enemmän rubidiumia on ollut - D on 'ylempänä' kuin A. Huomataan lisäksi, että A, B, C ja D asettuvat samalle suoralle (poikkeuksista myöhemmin). Suoraa voidaan kuvitteellisesti jatkaa (kuvassa A:sta vasemmalle) pisteeseen joka vastaa materiaalissa rubidiumin pitoisuutta 0. Sen pisteen y-arvo kertoo alkuperäisen Sr-87/Sr-86 suhteen ja siis alkuperäisen Sr-87:n osuuden. Näin kaikki tarvittava tieto iän laskemiseksi on saatu selville.

Myös kuvassa olevan suoran kulmakerroin ('jyrkkyys') kertoo näytteen iän, kulma­kerroin kasvaa ajasta ja puoliintumis­ajasta riippuvalla tavalla. Käyttämällä hieman matema­tiikkaa saadaan aika (näytteen ikä) ratkaistua tätäkin kautta, koska kulma­kerroin ja puoliintumis­aika tunnetaan. Kaava on seuraavanlainen (t= aika, tR = rubidiumin puoliintumisaika, k = kulmakerroin):


Tuo kulma­kerroin on käytännön tilanteissa hyvin pieni ja kuvan suora olisi hyvin 'loiva', koska rubidiumin puoliin­tumisaika on niin pitkä. Esim. kulmakerroin 0.0516 antaisi tulokseksi noin 3.57 mrd. vuotta.

Tällaista laskentatapaa voidaan käyttää useiden muidenkin ajoitusmenetelmien yhteydessä. Käytetään termiä isokroni­ajoitus. Isokronista eli vakiokoostumussuorasta voidaan puhua silloin, kun tulokset asettuvat samalle viivalle riittävän tarkasti.

Ongelmia voi tulla esim. silloin, kun magmaan on tullut mukaan eri-ikäisiä, sulamattomia mineraaleja ympäristöstä tai jos kiviaines on sulanut uudelleen, mutta vain osittain. Silloin eri mineraaleista otetut mittaukset (kuvassa A-D) eivät sijoitukaan samalle suoralle, eikä tulosta saada. Joissain hyvin harvoissa tapauksissa voi käydä niin, että tulokset ovat samalla suoralla, mutta ikä on silti väärä. Näin voi käydä, jos esim. magma ei ole hyvin sekoittunutta ja siinä on kahdenlaista koostumusta, joissa on erilaiset rubidiumin ja strontiumin suhteet. Näiden erilasten suhteiden pitää vielä olla tietynlaiset, että kävisi kuvatulla tavalla. Jos tällaista tapausta epäillään, on käytettävä toisia ajoitusmenetelmiä, joilla erikoistilanne saadaan osoitettua.

Uraani-lyijy-ajoitus


Epäpuhdas, raaka zirkonikide
(Kuva Wikimedia)
Uraani-lyijy-ajoitus (U-Pb-menetelmä) on ko. menetelmistä pisimpään käytetty. Sitä käytettiin ensimmäisen kerran jo vuonna 1907. Menetelmää voidaan käyttää kiviainekseen, joka on muodostunut ja kiteytynyt  vähintään 1 milj. vuotta sitten.

Ajoituksessa käytetään tavallisimmin zirkonia (zirkonium­silikaatti), mutta menetelmä sopii myös muutamille muille mineraa­leille. Zirkonia esiintyy lähes kaikkialla maailmassa, esimerkiksi Suomessa voi löytää erittäin pieniä zirkoneita satunnaisesti vaikka tavallisesta graniitista.

Zirkoni ottaa muodostuessaan uraania ja toriumia osaksi kide­raken­nettaan, mutta hylkii voimakkaasti lyijyä. Näinollen voidaan olettaa, että kaikki zirkonista löytyvä lyijy on syntynyt myöhemmin radioaktiivisesta hajoamisesta.

Luonnonuraani koostuu pääasiassa kahdesta isotoopista: U-235 ja U-238. U-235 hajoaa lyijyn isotoopiksi Pb-207 puoliintumisajalla 710 miljoonaa vuotta ja U-238 isotoopiksi Pb-206 puoliintumisajalla 4.47 miljardia vuotta. Lisäksi torium-232 tuottaa hajotessaan lyijyn isotooppia Pb-208. Uraanin hajoaminen lyijyksi tapahtuu itse asiassa useiden radioaktiivisten välivaiheiden kautta, mutta nämä ovat niin lyhytikäisiä, että eivät juuri vaikuta laskentamenetelmiin. Mainitut kolme hajoamisrettiä antavat mahdollisuuden kolmeen eri toisistaan riippumattomaan ajanmääritykseen.

Vaikeutta laskentaan tuo se, että uraani ja lyijy eivät kuitenkaan välttämättä säily täydellisesti mineraaleissa. Ratkaisuksi on kuitenkin kehitetty matemaattisia menetelmiä. Erästä usein käytettyä kuvataan seuraavassa.

(Kuva Wikimedia)
Oheisen kuvaajan akselit vastaavat uraanin kahden isotoopin hajoamisreittejä. Pystyakselilla on lyijy-206/uraani-238 -suhde, vaaka-akselilla lyijy-207/uraani-235 -suhde.

Kaarevasta viivasta käytetään nimitystä konkordia-käyrä. Se on teoreettisesti laskettu optimaalisesta tilanteesta, jossa mitään vuotoja ei tapahdu. Se kuvaa sitä, miten nämä kaksi eri suhdetta tällöin muuttuisivat ajassa. Kuvan käyrällä olevat Ga-merkinnät tarkoittava miljardeja vuosia.

Käytännön mittauksissa otetaan sitten esim. zirkoninäytteitä useasta kohdasta ja sijoitetaan mittausten tulokset koordinaatistoon oikeaan kohtaan. Jos mitään lyijyn karkaamista ei olisi tapahtunut, tulokset sijoittuisivat yhteen ja samaan kohtaan kaarevalla viivalla. Vuodoista johtuen käy kuitenkin niin, että ne sijoittuvat eri kohtiin käyrän alapuolelle samalle suoralle  (merkitty neliöillä kuvassa). Tämän linjan ja kaarevan viivan oikeanpuoleinen leikkauspiste kertoo silloin näytteen iän (paljastaen sen kohdan johon tulokset sijoittuisivat ilman vuotoja).

Esimerkki sopii tilanteeseen, jossa merkittävät vuodot ovat aiheutuneet yhdestä tapahtumasta, esim. kuumenemisesta. Useiden tällaisten tapahtumien tai jatkuvan vuodon suhteen matematiikka on monimut­kaisempaa. Tästä nähdään kuitenkin, että kohteen ei tarvitse aina olla 'suljettu järjestelmä'.

Lyijy-lyijy-menetelmässä taas laskenta suoritetaan käyttäen pelkästään lyijyn isotooppien välisiä suhteita, jotka muuttuvat ajan kuluessa. Karanneen lyijyn isotooppien suhteen voidaan olettaa olevan lähes sama kuin jäljellejääneiden ja siksi laskenta näytteessä olevien lyijyn isotooppien suhteiden perusteella on käyttökelpoinen mahdollisuus. Vaikka uraani-lyijy-menetelmä on yleisemmin käytetty, niin joissakin tapauksissa, kuten meteoriittien ja maapallon iän laskemisessa, lyijy-lyijy-menetelmä on tärkeämpi.
___

Seuraavien esimerkkien valossa saa hyvän käsityksen menetelmien yhtäpitävyydestä. Mittaukset on tehty tietystä Länsi-Grönlannin vanhasta muodostumasta, ns. Amitsoqin gneissistä.

Uraani-lyijy: 3.60 ± 0.05 mrd. v.
Lyijy-lyijy: 3.56 ± 0.10, 3.74 ± 0.12, 3.62 ± 0.13 mrd. v.
Rubidium-Strontium: 3.56 ± 0.14, 3.61 ± 0.22, 3.67 ± 0.09 mrd. v.

Radiohiiliajoitus


Radiohiiliajoitusta käytetään esimerkiksi luiden, puun, vaatteiden ym. kuolleista eläimistä ja kasveista peräisin olevan aineksen ajoittamiseen. Ajallinen ulottuvuus on paljon pienempi kuin edelläkuvatuissa menetelmissä.

Hiilellä on kaksi pysyvää isotooppia, hiili-12 (C-12, n. 99  %) ja hiili-13 (C-13, n. 1 %). Lisäksi on olemassa epävakaa isotooppi hiili-14 (C-14), jota muodostuu pieniä määriä ilmakehässä kosmisen säteilyn vaikutuksesta. Ilmakehästä C-14 ja muu hiili päätyy kasveihin ja niistä eläimiin ympäristön määräämässä suhteessa. Eliön kuollessa radiohiilen saanti ilmakehästä loppuu, mutta eliössä ollut C-14 jatkaa hajoamista vakionopeudella typpi-14:ksi. 

C14:n puoliintumisaika on noin 5730 vuotta. Kymmenen puoliintumisajan jälkeen, noin 60 000 vuoden kohdalla, radiohiiltä on niin vähän jäljellä, että iänmääritys ei enää onnistu. Käytännössä yläraja on yleensä n. 50 000 vuoden paikkeilla. 

Hiili-14:n ja hiili-12:n suhde ilmakehässä ei kuitenkaan ole ollut eri aikoina aivan vakio ja siksi hiili-14 ei myöskään aina ole samalla tavalla kertynyt eliöihin niiden eläessä. Siksi on kehitetty kalibrointikäyriä käyttämällä vertailuaineistoa, esim. puiden vuosirenkaita tutkimalla. Myös muita näytteen ympäristössä vallinneita olosuhteita voidaan joutua ottamaan huomioon.

Epäilijöiden argumentteja


Yllättävän monilla kristityillä on kielteisiä, virheellisiä käsityksiä radiometristen ajoitusmenetelmien luotettavuudesta ja ne sitten leviävät edelleen. Tämä johtuu siitäkin, että jotkut argumentit saattavat kuulostaa uskottavilta, ellei ole perehtynyt asiaan.

Eräs väite on, että puoliintumisaikoja ei voida luotettavasti mitata silloin kun ne ovat hyvin pitkiä. Tämä ei ole kuitenkaan totta. Näitä mittauksia on tehty jo hyvin kauan ja virhemarginaalit ovat pieniä, useimmissa tapauksissa alle 2% (jo 2000-luvun alussa). Myöskään ei ole totta, että pieni virhe puoliintumisajassa aiheuttaisi suuren virheen iänmääritykseen, vaan virhe on prosenteissa samansuuruinen.

Saatetaan väittää myös esim. että iänmääritystä varten pitäisi aina etukäteen tietää sen isotoopin alkuperäinen osuus, jonka hajoamiseen menetelmä perustuu. Se ei yleisesti ottaen pidä paikkaansa, vaan menetelmät voidaan perustaa ko. isotoopin ja hajoamistuotteen määrään tutkimushetkellä. Rubidium-strontium-menetelmän yhteydessä kuvattiin, kuinka on usein mahdollista selvitä siitäkin tilanteesta, jossa hajoamistuotetta on jo alunperin mukana tuntematon määrä.

Kyseenalaistajien tulisi myös huomata myönteisen ja yhtäpitävän todistusaineiston suuri määrä suhteessa niihin poikkeustapauksiin, joita usein tuodaan esille. Lisäksi radiometrisistä ajoitusmenetelmistä saatujen tulosten voidaan todeta sopivan yhteen muiden menetelmien ja tieteenalojen, esim. tähtitieteen kanssa.

Lähteitä:

Wikipedia, Radiometric dating ym.


maanantai 29. huhtikuuta 2019

Matelijoiden leukaluista nisäkkäiden kuuloluiksi

Matelijoiden ja nisäkkäiden polveutumisyhteys


Otetaan pieni taustakatsaus ennenkuin mennään leukaluihin ...

Nisäkkäiden katsotaan polveutuneen varhaisista matelijoista kehityshaaran kautta, jota kutsutaan nimellä synapsidit. Vanhimmat tunnetut synapsideiksi luokitellut fossiilit on ajoitettu yli 300 mv ikäisiksi. Nämä ensimmäiset synapsidit muistuttivat hyvin paljon nykyisiä liskoja. Merkittävin erottava piirre oli tietty kallossa silmän takana oleva ohimoaukko. 

Uudemmissa fossiileissa huomataan kuitenkin selkeitä kehityskulkuja kohti 'nisäkäsmäisyyttä'. Näitä ovat mm. hampaiden erilaistuminen, alaleuan luiden muutokset, pystympi asento ja tasalämpöisyys. Tasalämpöisyyden ilmaantuminen on muita vaikeampi ajoittaa fossiilien perusteella, mutta se liitetään usein permikauden puolivälin paikkeilla ilmaantuneisiin uudenlaisiin synapsideihin, terapsideihin. Permikauden lopulla (n. 260 mvs) ilmaantui erityinen terapsidien ryhmä, kynodontit, joiden myöhempiin edustajiin nykyiset nisäkkäätkin luetaan. 

Milloin sitten eli ensimmäinen varsinainen nisäkäs? Se on osittain määrittelykysymys ja asiasta on erilaisia näkemyksiä. Laajalti ollaan kuitenkin sitä mieltä, että esimerkiksi trias- ja jurakauden vaihteen tienoilla (n. 200 mvs) ilmaantunut pienikokoinen Megazostrodon täyttää jo nisäkkääksi luokittelun edellytykset ja oli yksi ensimmäisistä. 

Alaleuan luiden muuttuminen


(Kuva Wikimedia)
Synapsidien alaleuan luiden rakenteen muuttuminen vuosimiljoonien kuluessa on erityisen paljon tutkittu aihe. Tällä kehityskululla katsotaan olevan myös yhteys nisäkkäiden kuuloluihin.

Varhaisten synapsidien leuan rakenne oli vielä hyvin matelijamainen (alakuva). Käytän kuvan englanninkielisiä nimityksiä. Sen leukaluun takana, josta hampaat kasvavat (dentary) on useita muita luita, joista suurin (angular) on samaa suuruusluokkaa 'dentaryn' kanssa. Lisäksi pienempiä, joista 'articular' on leukanivelen (jaw joint) leuanpuoleinen kappale. Kallon puolella vastakappaleena on 'quadrate' -luu.

Nisäkkäillä (yläkuva) 'dentary' muodostaa koko alaleuan ja leukanivel on sen ja kallon 'squamosal' -osan välissä. Mutta missä ovat 'articular' ja 'quadrate'? Niiden katsotaan sijaitsevan välikorvassa ja toimivan osana kolmen kuuloluun järjestelmää. Matelijoiden yksi kuuloluu on saanut seurakseen kaksi muuta. 'Angular' -luukin liittyy nisäkkäillä korvan rakenteeseen, mutta ei varsinaisena kuuloluuna ja sen sijainti vaihtelee.

Ilman välimuotoja tällaiset päätelmät saattaisivat tuntua hyvin lennokkailta, mutta niitä on löytynyt varsin paljon. Otan esille seuraavassa muutaman kiinnostavan. Lopussa olevista linkeistä löytyy lisää esimerkkejä kuvina, joista näkyy hyvin 'dentary' -luun kasvu ja muiden asteittainen pieneneminen ja siirtyminen.

Morganucodon watsoni. (Kuva Wikimedia)
Triaskauden lopulla, ensimmäisten dinosaurusten aikaan, maan pinnalla vilisteli jo myös pieniä päästäismäisiä otuksia, joista on löytynyt runsaasti fossiileja Walesista ja muualtakin Euroopasta sekä Kiinasta ja Pohjois-Amerikasta. Nämä eläimet kuuluivat sukuun Morganucodon. Vanhimmat fossiilit ovat noin ajalta 205 mvs ja niitä on löytynyt vielä jurakauden puolivälin paikkeiltakin. Niillä oli paljon nisäkäsmäisiä piirteitä, mutta luokittelusta varsinaiseksi nisäkkääksi ollaan erimielisiä.

(Kuva Wikimedia)
Morganucodonin alaleuan rakenne on mielenkiintoinen välimuoto. Siinä on vielä matelijoille ja varhaisille synapsideille tyypillinen 'articular-quadrate' nivel, mutta myös nisäkäsmäinen 'dentary-squamosal' liitos. (Kuva on periaatteellinen, ei juuri Morganucodonin fossiileja vastaava).

Leukaluut eivät siis olleet vielä siirtyneet kuuloluiksi. Varmaankin juuri siksi taiteilija ei ole piirtänyt yo. Morganucodonin 'kokovartalokuvaan' korvalehtiä, vaan korvan paikalla näyttää olevan pieni syvennys, jonka alla voi kuvitella olevan tärykalvon. Tämän näkemyksen mukaan siis korvan rakenne olisi ollut ulkoisestikin samantapainen kuin matelijoilla.

Yanoconodon allini (Kuva Wikimedia, © N. Tamura)
Pari muuta välimuotoa  antaa konkreettista näyttöä leukaluiden ja kuuloluiden yhteydelle:

Kiinasta löytyi vuonna 2007 niin hyvin säilynyt fossiili, Yanoconodon, että sen välikorvan luiden rakennetta on voitu tutkia. Kuuloluiden rakenne todettiin paljolti samantapaiseksi kuin nykyisillä nisäkkäillä, mutta näistä poiketen  alaleuassa sijainneen luutuneen ruston pääteltiin yhdistäneen kuuloluut leukaluuhun. Välikorvan luut eivät olleet kuitenkaan säilyneet fossiilissa alkuperäisellä paikallaan, rakenteesta ei näillä tiedoilla saatu täyttä varmuutta.

Kerrostuma, jossa fossiili sijaitsi, on arvioitu noin 122 - 125 mv ikäiseksi, kyseessä on siis liitukauden alkupuoli. Kooltaan tämä eläin oli noin 15 cm pituinen, selkä oli suhteellisen pitkä, jalat lyhyet.

Vuonna 2011 tuli julkisuuteen toinen samankaltainen löydös Kiinasta lähes samalta ajalta. Tämä hieman kookkaampi (kyseinen fossiili n. 36 cm) laji on saanut nimen Liaoconodon hui. Tässä fossiilissa rakenne oli säilynyt yhtenäisenä. Tietyt alaleuassa ja leukanivelessä olleet luut olivat siis eriytyneet leuan rakenteesta kuuloluiksi, mutta niitä tuki rusto, joka yhdisti ne alaleukaan (linkkiluettelosta löytyvissä New Scientist:in ja National Geographic:in artikkeleissa on myös hyvät kuvat tästä, ko. rusto = Meckel's cartilage). Tutkijat pitävät tätä löydöstä hyvin merkittävänä vahvistuksena nisäkkäiden välikorvan kehitystä koskevalle teorialle.

Lisätietoa


Jaws to ears in the ancestors of mammals. Understanding Evolution. University of California Museum of Paleontology. (Kuvissa useita välimuotoja)
Homology: From jaws to ears — an unusual example of a homology. Understanding Evolution. University of California Museum of Paleontology.
Wikipedia, Evolution of mammalian auditory ossicles
Wikipedia, Angular bone
Science Daily 17 April 2011, Long-sought fossil mammal with transitional middle ear
New Scientist 13 April 2011, Hear my chewin': how jawbones evolved into ear bones
National Geographic 25 April 2011, An Earful of Jawbones

perjantai 12. huhtikuuta 2019

Katsaus kivihiilikauteen

Jo poikavuosina kirjoissa näkemäni kivihiilikautta esittävät kuvat jäivät vahvasti mieleen. Nuo kosteat, höyryävät metsät, valtavat hyönteiset ja muut ötökät saivat mielikuvituksen liikkeelle. Minkähänlaista olisi ollut seikkailla silloisessa luonnossa? Näissä tunnelmissa kokosin tähän joitain kuvia ja tietoja tuon ajan kasvillisuudesta ja eläinkunnasta lähinnä maanpäällisten näkymien kannalta, ts. en kaloista tai muista varsinaisista vesieläimistä.

Kivihiilikausi ajoitetaan välille 359–299 mvs. Kausi jaetaan vanhempaan Mississippi-kauteen (359–323 miljoonaa vuotta sitten) ja nuorempaan Pennsylvania-kauteen (323–299 miljoonaa vuotta sitten).

Kausi saa nimensä silloin syntyneistä kivihiilikerrostumista. Ne syntyivät pääasiassa Pennsylvania- eli ylähiilikauden kasvijätteistä, jotka jäivät  sedimentti­kerrostumien alle ja muuttuivat lopulta kivihiileksi suuressa paineessa.

Kasvillisuus ja yleiset olosuhteet


 Kivihiilikauden sanikkaismetsää (Kuva Wikimedia)

Ilmasto oli varsinkin kauden alkupuolella ja päiväntasaajan lähellä hyvin lämmin ja kostea. Jakson puolivälissä lämpötilat alkoivat laskea reilusti. 

Noin 335-325 mvs kasvoivat ensimmäiset laajat trooppiset metsät. Kauden lopulla (n. 305 mvs) sademetsien määrä väheni voimakkaasti ja ne pirstaloituivat kylmenemisen ja kuivumisen johdosta.  Engl. termi on 'Carboniferous rainforest collapse'.

Maakasvillisuudessa hallitsevina olivat putkilokasvit, joiden koko vaihteli pienistä pensasmaisista lajeista suuriin, yli 30 metrisiin puihin. Esimerkkejä:

Archaeopteris-sukuun kuuluvien puiden 
fossiileja voidaan löytää myöhäis-
devonikaudelta Missisippi-kauden 
lopulle.  Niiden tyypillinen korkeus oli 
10 m. Ne luetaan  esipaljassiemenisiin,  
Progymnospermopsida. Siemeniä ne eivät 
tuottaneet, vaan lisääntyivät itiöiden avulla.
(Kuva Wikimedia)
Lepidodendron ('suomupuu') oli
puumainen liekomainen kasvi, joka
saattoi kasvaa yli 30 metriseksi.
Kuvassa näkyvät 'kävyntapaiset'
ovat itiötähkiä. Fossiileja löytyy hyvin
pitkän ajan kattavista kerrostumista,
hiilikauden alusta triaskauden
loppupuolelle saakka. (Kuva Wikimedia)
Calamites on kortemaisten kasvien suku,
joita esiintyi koko kivihiilikauden ajan
ja vielä seuraavalla permikaudellakin.
Ne olivat kuitenkin puumaisia, yli 30 m
korkuisiksi kasvavia. (Kuva Wikimedia)
Psaronius-suvun puusaniaisia esiintyi
kivihiilikauden loppupuolella ja permi-
kaudella. Ne muistuttivat ulkoisesti
nykyisiä puusaniaisia. (Kuva Wikimedia
Muita kiinnostavia ryhmiä olivat siemensaniaiset ja cordaites-paljassiemeniset. Kaikki kivihiilikauden kasvit eivät siis olleet itiökasveja. Siemensaniaiset olivat kivihiilikaudella ja permikaudella olennainen osa kasvikuntaa häviten liitukaudella. Cordaites-suvun lajeja esiintyy ylähiilikaudelta permikauden loppuun. Ne olivat mahdollisesti varhaisia havupuita tai sitten havupuiden ja eräiden toisten läheisten ryhmien varhaisia edeltäjiä.

Sammakkoeläimet, matelijat yms.


Kivihiilikaudella jo devonikaudella alkanut tetrapodien (neliraajaisten selkärankaisten) maaelämään sopeutuminen eteni, vaikkakin monet lajit olivat puoliksi tai jotkut jopa kokonaan vesieläimiä. Kauden loppupuolella, ilmaston kuivuessa, esiintyi jo selvästi matelijoiksi luokiteltavia lajeja.
Pederpes finneyae. (Kuva Wikimedia)

Vanhin tunnettu todella maaelämään sopeutunut selkä­rankainen on saanut nimen Pederpes finneyae. Sen fosiili löytyi vuonna 1971 kivihiilikauden alkupuolen kerrostumista ajalta 348 mvs. Sitä voidaan sanoa sammakko­eläimeksi sanan laajassa merkityksessä. Se oli noin metrin mittainen. Korvan rakenteesta on päätelty, että se on saattanut viettää kuitenkin suuren osan ajastaan vedessä. Pederpes oli hyvin mielenkiintoinen löytö, sillä kivihiilikauden alusta, ajalta 360 - 345 mvs ei ole toistaiseksi löydetty paljonkaan tetrapodien fossiileja, puhutaan ns. Romerin aukosta.

Proterogyrinus (Kuva Wikimedia)
Kivihiilikauden puolivälin paikkeilta, ajalta n. 331-323 mvs, tunnetaan mm. oheisen kuvan esittämä kookas tetrapodi, Proterogyrinus. Sen fossiileja on löytynyt Skotlannista, Englannista ja Länsi-Virginiasta USA:sta. Ne olivat suurinpiirtein samankokoisia kuin nykyiset komodonvaraanit, noin 2.5 metrisiä

Jalat olivat vahvat ja mahdollistivat liikkumisen maalla. Jotkut muut piirteet viittaavat kuitenkin siihen, että ne olivat todennäköisesti paremmin sopeutuneita vesielämään. Pyrstö oli kookas. Silmät sijaitsivat suhteellisen ylhäällä kallossa, mikä tukee teoriaa, että ne liikkuivat paljon lähellä veden pintaa.
Hylonomus lyelli -malli eräässä saksalaisessa museossa
(Kuva Wikimedia)
Varhaisimpana tunnettuna kiistattomana matelijana pidetään Hylonomus lyelli -lajia, joka eli noin 315-312 mvs myöhäisellä kivihiikaudella. Se oli häntä mukaanlukien noin 20 cm pituinen.

Hampaat olivat pienet ja terävät ja sen arvellaan syöneen ravinnokseen tuhatjalkaisia, hyönteisiä yms. Sen fossiileja on löydetty Nova Scotiasta Kanadasta onton puunrungon fossiloituneiden jäännösten seasta.

Amphibamus (Kuva Wikimedia , © N. Tamura)
Amphibamus oli kivihiilikauden lopulla elänyt pienikokoinen (noin 20 cm) panssari­sammakko. Amphibamuksen fossiilien löytöpaikat olivat sen eläessä jokisuistoa, joten eläimen uskotaan eläneen puroissa tai soissa lähellä jokea. Kivihiilikautta seuranneella permikaudella monet panssari­sammakot olivat hyvin kookkaita maaelämään sopeutuneita lajeja.

Hyönteiset ja muut ötökät


Meganeura monyi - malli Luonnontieteellisessä 
keskusmuseossa Helsingissä (oma kuva, © Hannu Tiihonen).
Usein nähdessäni sudenkorennon mieleni valtaa ihmettely ja miltei kunnioitus. Miten hieno otus, minkälainen lentotaituri! Ne tuovat kuin viestin kivihiilikauden kiehtovasta maailmasta, jolloin jo lenteli niiden jättikokoinen sukulainen, Meganeura.

Meganeura eli kiviiilikauden lopulla. Siipiväli oli jopa 75 cm. Se pyydysteli muita tuon ajan hyönteisiä tarttuen niihin vahvoilla jaloillaan.

Ensimmäisiin hyönteisiin viittaavia merkkejä on löytynyt jo devonikauden alkupuolelta, n. 400 mvs ja saattaa olla, että lentotaito juontaa jo aivan noilta ajoilta. Tästä on kuitenkin erilaisia mielipiteitä, koska siltä ajalta ei ole vielä fossiileissa jälkiä siivistä. Tuhatjalkaisia ja muitakin maaniveljalkaisia oli jo sitä ennen, siluurikaudella. Kivihiilikauden erikoisuus on se, että monet lajit saavuttivat käsittämättömiä mittoja.
Pulmonoscorpius kirktonensis (kuva Wikimedia).

Pulmonoscorpius kirktonensis skorpioni saattoi kasvaa 70 cm pituiseksi. Sen fossiileja on löydetty Skotlannista noin 338 mv ikäisistä kerrostumista, siis kivihiilikauden alkupuoliskolta.
Arthropleura (kuva Wikimedia)
Kivihiilikauden loppupuolella eläneet Arthropleura-tuhatjalkaiset  olivat uskomattoman isoja, suurimmat jopa 2.3 metrin pituisia. Nämä jättiläiset olivat rauhallisia kasvissyöjiä. Ne hävisivät sukupuuttooon kivihiilikauden lopussa.

keskiviikko 13. joulukuuta 2017

Mannerliikunnot ja fossiilit

Alfred Wegener

Se huomio, että Atlantin molemmin puolin olevat mantereet tuntuvat sopivan yhteen palapelin tavoin, ei ole uusi. Abraham Ortelius niminen maantieteilijä kiinnitti tähän huomiota jo vuonna 1596 teoksessaan Thesaurus Geographicus. Hän ehdotti, että maanjäristykset ja tulvat olivat repineet Amerikat eroon Euroopasta ja Afrikasta. Myös muut esittivät ajatuksia mannerten liikkeistä ennen 1900-lukua, mutta varsinaisesti mannerliikuntoteorian 'isänä' voidaan pitää Alfred Wegeneriä. Hän esitti teoriansa vuonna 1915 kirjassaan Die Entstehung der Kontinente und Ozeane (Mannerten ja valtamerten alkuperä).
 
Tämä kartta käsittää Gondwana-jättimantereen. Pangaea, 'kaikki maa',
oli vielä laajempi, siihen kuului myös Pohjois-Amerikka ja Euraasia.
Pangea alkoi hajota noin 200 miljoonaa vuotta sitten aivan triaskauden lopussa.
Gondwana alkoi hajota jurakauden keskivaiheilla noin 167 miljoonaa vuotta sitten.
(Kuva Wikimedia)

Palapeleissä sopivat yhteen paitsi palasten muodot, myös kuviot. Vastaavasti Wegener etsi merkkejä eri mantereilla olevista yhtenäisistä 'kuvioista', jotka viittaisivat mantereiden olleen joskus yhdessä. Hän huomasi, että Cynognathus-fossiileja oli löydetty sekä Etelä-Amerikasta että Afrikasta. Se oli maaeläin, eikä voitu ajatella sen ylittäneen Atlanttia uimalla. Glossopteris-siemensaniaisen fossiileja löytyi Etelä-Amerikasta, Afrikasta, Intiasta, Australiasta ja jopa Etelämantereelta. Mesosaurusta löytyi Etelä-Amerikasta ja Australiasta. Lystrosauruksen fossiileja löytyi Afrikasta, Intiasta ja Etelämantereelta.  Hän huomasi myös vastaavuuksia geologisissa muodostumissa ja kivilajeissa. Wegenerin teoria siitä, että mantereet olivat joskus olleet yhdessä, selitti havainnot loogisesti. Hänen ajatuksiaan ei kuitenkaan tahdottu hyväksyä, vaan etsittiin toisenlaisia selityksiä - esim. maasiltoja, joita pitkin eläimet olisivat joskus liikkuneet nykyisellä paikallaan olevien mantereiden välillä. Ongelmana oli myös se, että Wegener ei pystynyt ratkaisemaan sitä, miksi ja miten mantereet liikkuivat.
Arthur Holmes

Vuonna 1928 Brittiläinen geologi Arthur Holmes esitti paljolti nykyisenkaltaisen teorian. Hänen mukaansa Maan vaipan virtaukset olivat mantereita siirtelevä voima ja että sekä mantereet, että merenpohja liikkuivat. Teoria sai kuitenkin vielä odottaa hyväksymistään.

1950-luvulta alkaen monet tutkijat tutkivat merenpohjan leviämistä ja maan magneetti­kentän napaisuuden toistuvia käännöksiä. Kun todettiin, että maan magnetismin pitkien aikojen kuluessa tapahtuneet muutokset näkyivät maankuoresssa Atlantin keskiselänteen molemmin puolin, merenpohjan levenemiselle oli saatu vahvistus. Uuden vielä sulassa tilassa olevan merenpohjan noustessa keskiselänteen alueella siihen tallentuu kulloisenkin magneettikentän suunta. Merenpohja siirtyy sitten kauemmaksi laajentumisen jatkuessa ja sen jälkeen muodostuneeseen vielä uudempaan merenpohjaan tallentuu magneettikentän aikanaan käännyttyä erilainen magneettikentän suunta. Myös merenpohjan radiometrisillä iänmäärityksillä ja satelliittien avulla tehdyillä lasermittauksilla sekä GPS-järjestelmän avulla on todettu Atlantin leveneminen ja muut mannerliikunnot. Nykyisin Etelä-Atlantti levenee noin 1,5-2,25 cm/v ja Pohjois-Atlantti 0,95-1,4 cm/v.

Henkilökohtaista

Wegenerin huomioilla on itselleni ollut suuri Raamatun tulkintaan vaikuttava merkitys. Uskoontuloni jälkeen aloin ensin kyseenalaistamaan monia tieteellisiä teorioita. Yritin sovittaa maailmankuvani hyvin kirjaimelliseen tulkintaan Raamatun alkuluvuista. Jossain vaiheessa oli kuitenkin pakko tiedostaa, että liiallinen kirjaimellisuus johtaa mahdottomuuksiin ja jopa ristiriitoihin eri tekstinkohtien välillä.  Aloin taas miettiä tarkemmin tieteellisiä käsityksiä ja perusteluita maapallon ja elämän suurelle iälle. Mannerliikuntojen ja fossiilien yhteistodistus oli yksinkertaisuudessaan ja vakuuttavuudessaan eräs niistä asioista, joka sai minut katsomaan tosiasioita silmiin. Tämä oli kyllä kipeä prosessi, se täytyy tunnustaa - vaikka oli kyse vain raamatuntulkinnan muuttumisesta, ei kristillisen uskon menettämisestä.

Atlantti on kapeimmalta kohdaltaan ainakin 2500 km:n levyinen. Jos levenemisvauhdiksi otetaan 2.5 cm vuodessa, tuon levyisen alueen muodostumiseen menee 100 miljoonaa vuotta. Tämä karkeakin laskutapa antaa jonkinlaisen suuruusluokan. Levenemisnopeus on tietysti voinut vaihdella, mutta monet seikat todistavat, että Atlantti ei ole voinut muodostua nopeasti, esimerkiksi yhden luonnonmullistuksen seurauksena.

Esimerkiksi Cynognathuksen fossiilien löytymisen eri mantereilta selittää muinainen maayhteys näiden alueiden välillä. Laji on periaatteessa tietysti voinut jatkaa elämäänsä eri mantereilla yhteyden katkeamisen jälkeenkin, mutta jossain vaiheessa lajin historiaa yhteys on ollut. Ja siitä pitää olla kauan, miljoonia vuosia, koska mannerliikunnot ovat hitaita. Siis jo niin kauan sitten oli elämää... Jostain syystä tämä maalaisjärkinen päättely on ollut minulle vakuuttava, vaikka se onkin melko suurpiirteinen. Onhan toki muinaisten fossiilien ikä saatu tarkemmillakin menetelmillä selvitettyä, vaikkei se aina helppoa olekaan. Esimerkkinä voisi mainita tilanteen, jossa fossiilin ylä- ja alapuolella on vulkaanisia kerrostumia. Silloin voidaan hyvin käyttää radioaktiiviseen hajoamiseen perustuvia mittausmenetelmiä mainittuihin kerrostumiin.

Cynognathusin kallo Museum Mensch und Naturissa. (Kuva Wikimedia ).
Cynognathus oli hieman koiraa muistuttava lihansyöjä. Kallon
pituus on noin 30–45 cm. Kulmahammas on suuri ja alaleuan muoto
mahdollistaa leukojen suuren avautumisen. Eläimellä oli kallon
rakenteesta päätellen suuret leukalihakset ja täten suuri puruvoima.
Fossiilit kertovat myös, että jo paljon ennen ihmistä ekosysteemi olemassaolon taisteluineen on ollut samantapainen kuin nyt, saalistajineen ja saalistettavineen. Esimerkiksi Cynognathus ja Mesosaurus olivat lihansyöjiä. Lystrosaurus oli kasvinsyöjä.


Kun Raamattua tutkiva ihminen pohtii tieteellisen maailmankuvan mukaista näkemystä elämän pitkästä historiasta, yksi ensimmäisistä mieleennousevista kysymyksistä saattaa olla: "Eikö Raamattu opeta, että kaikki kuolema tuli maailmaan vasta syntiinlankeemuksen seurauksena?". Tähän liittyen kokosin joitain ajatuksia toisen blogin tekstiin  'Kuolema ja syntiinlankeemus'.

Allaolevistä linkeistä suosittelen erityisesti Kåre Kullerudin 'Laattatektoniikka' -esitystä.

Lähteitä ja luettavaa:
Wikipedia, Alfred Wegener
Wikipedia, Mannerliikunnot
Kåre Kullerud, Laattatektoniikka (!)
Wikipedia, Pangaea
Wikipedia, Gondwana
Wikipedia, Radiometric dating
Australian Museum, Dating dinosaurs and other fossils
Radiometric Dating, A Christian Perspective
Wikipedia, LAGEOS
GPS - measuring Plate Motion