Fossiilit

Jatketaan geneetikko-nobelisti Jack. W. Szostakin (kuva) opastamana fosiileista, niiden synnystä, ajoittamisesta, tulkitsemisesta ja siitä, mitä ne voivat kertoa elämän muutoksista.

Fossiilisto avaa näkymän muinaisiin maailmoihin alkaen elämän ensimmäisistä merkeistä. Se tarjoaa myös välähdyksiä elämän evoluutiosta miljardien vuosien ajalta.

Kallioiden kerrostumat sisältävät enimmin fossiileja. Fossiilien tarjoama kertomus perustuu pääasiassa siihen järjestykseen, johon fossiilit ovat kertyneet kerrostumissa. Hyödyllistä tietoa saadaan muunkinlaisista fossiileista, kuten meripihkan sisään jääneistä hyönteisistä tai jopa jään sisään joutuneista nisäkkäistä.

Fossiilisto osoittaa, että on tapahtunut suuria muutoksia eliötyypeissä eri aikoina Maan historiassa. Monet menneistä eliöistä olivat aivan erilaisia kuin nykyiset, ja monet ennen niin yleisistä lajeista ovat nyt kadonneet. Fossiilit dokumentoivat sen, kuinka uudet eliöryhmät kehittyivät aiemmin olemassa olleista.

Fossiiliston oleellisuudesta ja merkittävyydestä huolimatta on syytä pitää mielessä, että se on epätaydellinen kertomus evoluutiosta. Suurin osa eliöistä ei kuollut oikeassa paikassa eikä oikeaan aikaan säilyäkseen fossiilina. Muodostuneistakin fossiileista paljon tuhoutui myöhemmissä mullistuksissa, ja vain osa säilyneistäkin on kyetty löytämään. Kallioissa on vielä paljon yllätyksiä.

Tunnetut fossiilit kertovat lähinnä lajeista, jotka olivat olemassa pitkän ajan, olivat yksilömääriltään runsaita ja laajalle levinneitä tietynlaisissa ympäristöissä ja joilla oli kovat kuoret, luurangot tai muut osat, jotka helpottivat fossiloitumista. Puutteineenkin fossiilisto on huomattavan yksityiskohtainen kertomus biologisesta muuntumisesta valtavan pitkinä geologisina kausina. Ja uusia fosiileja löytyy jatkuvasti, esimerkkinä mainittakoon viime vuosina esiinkaivetut valaiden kantamuodot, joilla on takaraajat (nykyvalailla muistona niistä lantion luita).

Seuraavassa esimerkkisarja muinaisten lajien jäänteistä:

• 3 500 miljoonaa vuotta sitten: fossiloituneita stromatoliitteja (kuva). Eräät prokaryootit sitovat sedimenttejä ohuiksi kerroksiksi ja saavat aikaan kerrostuneita kiviä eli stromatoliitteja. Joissakin matalissa merten lahdissa niitä muodostuu nykyäänkin (esim. Australian Shark Bay, kuva).
• 1 500 miljoonaa v. sitten: Tappania (kuva) oli aitotumainen yksisoluinen eliö, jonka arvellaan olleen sieni tai levä.
• 560 miljoonaa v. sitten: Dickinsonia costata (kuva) kuuluu ns. Ediacara-faunaan, joka sisältää pehmeäruumiisia (!) sukupuuttoon kuolleita merieliöitä.
• 510 miljoonaa v. sitten: Hallucigenia (kuva) kuuluu Kanadan Kalliovuorten Burges Shale -fossiiliesiintymään, jossa on morfologialtaan vaihtelevia eläimiä.
• 400 milj. v. sitten: Coccosteus cuspidatus (kuva) on panssarikala eli plakodermi. Panssarikaloilla oli luinen kilpi, joka suojasi päätä ja ruumiin etuosaa.
• 375 milj. v. sitten: Tiktaalik (kuva) on sukupuuttoon kuollut vesiselkärankainen, joka on lähin tunnettu maan valloittaneiden nelijalkaisten (matelijat, linnut, nisäkkäät) sukulainen.
• 270 milj. v. sitten: Dimetrodon (kuva) oli oman aikansa suurin peto. Se oli läheisempää sukua nisäkkäille kuin matelijoille oudosta ulkonäöstään huolimatta. Huomiota kiinnittävä selkäpurje on voinut toimia apuna lämmönsäätelyssä ja/tai toisen sukupuolen houkuttimena.
• 175 milj. v. sitten: Rhomaleosaurus-joutsenlisko eli -plesiosauri (kuva). Plesiosaurit olivat suurikokoisia merimatelijoita, jotka olivat huomattavia petoja ajalla 200 – 66 miljoonaa v. sitten.

Ajoittaminen

Fossiileista on hyötyä elämän historian hahmottamisessa vain, jos voidaan määritellä niiden aikasijainti kertomuksessa. Kalliokerrostumien (kuva) fossiilien järjestys kertoo vain sen järjestyksen, missä ne fossiloituivat, eli suhteellisen iän. Todellinen ikä on selvitettävä muulla tavoin.

Yksi yleisimmistä ajoitusmenetelmistä on radiometrinen ajoitus, joka perustuu radioaktiivisten isotooppien hajoamiseen (isotoopit ovat saman alkuaineen massaluvultaan toisistaan poikkeavia atomeja). Radioaktiivinen isotooppi  hajoaa kahdeksi muuksi isotoopiksi tietyllä nopeudella. Hajoamisnopeus ilmaistaan puoliintumisaikana eli aikana, jonka kuluessa puolet radioisotoopista on hajonnut. Kullakin radioisotoopilla on sille ominainen puoliintumisaika, joka ei riipu lämpötilasta, paineesta tai mistään muustakaan ympäristötekijästä. Esim. hiili-14 hajoaa suhteellisen nopeasti: sen puoliintumisaika on 5730 vuotta. Uraani-238 hajoaa paljon hitaammin: puoliintumisaika on 4,5 miljardia vuotta.

Fossiileissa on alkuaineiden isotooppeja, jotka kerääntyivät niihin niiden eläessä. Esim. elävä eliö sisältää yleisintä hiili-isotooppia (hiili-12) ja radioaktiivista isotooppia, hiili-14:ä. Eliön kuoltua siihen ei enää kerry hiiltä, ja hiili-12:n määrä ei muutu aikojen kuluessa. Sen sijaan sen sisältämä hiili-14 hajoaa toiseksi alkuaineeksi typpi-14:ksi. Mittaamalla mainittujen hiili-isotooppien keskinäinen suhde voidaan määrittää fossiilin ikä. Tämä menetelmä pätee enintään 75000 v. vanhoihin fossiileihin; sitä vanhemmissa on niin vähän hiili-14:ä, että sitä ei nykyisin menetelmin kyetä mittaamaan. Radioaktiivisia isotooppeja, joilla on pidempi puoliintumisaika, käytetään vanhempiin fossiileihin.

Haastavaa voi olla noiden vanhempien fossiilien suhteen. Eliöt eivät käytä pitkäpuoliintumisajallisia radioisotooppeja luidensa tai kuortensa rakennusaineina. Vieläpä voivat sedimenttikalliot koostua eri-ikäisistä kerrostumista. Vaikka näitä ikivanhoja fossiileja ei pystytä ajoittamaan suoraan, voidaan käyttää epäsuoraa menetelmää. Kun laava jähmenee vulkaaniseksi kiveksi, ympäristön radioisotoopit jäävät muodostuvan kallion sisään. Joillakin niistä on pitkät puoliintumisajat, mikä antaa mahdollisuuden arvioida muinaisten vulkaanisten kivilajien iän. Jos fossiiliesiintymää ympäröimät kaksi vulkaanista kerrosta ovat iältään 525 miljoonaa  ja 535 miljoonaa vuotta vanhoja, ovat fossiilit noin 530 miljoonaa v. vanhoja.

Uusia eliöryhmiä syntyy

Eräät fossiilit tarjoavat yksityiskohtaisen näkymän uuden eliöryhmän synnylle. Ne ovat keskeisiä evoluution ymmärtämisen kannalta, sillä ne havainnollistavat sen, kuinka uusia ominaisuuksia syntyy ja kuinka kauan se kestää. Seuraavassa esimerkki nisäkkäiden synnystä.

Sammakkoeläinten ja matelijoiden kera nisäkkäät kuuluvat nelijalkaisten eli tetrapodien ryhmään (Tetrapoda; kreik. tetra ’neljä’ ja pous ’jalka’). Nisäkkäillä on lukuisia ainutlaatuisia anatomisia ominaisuuksia, jotka fossiloituvat helposti, ja niiden avulla nisäkkäiden alkuperä on selvinnyt. Esim. nisäkkään alaleuka koostuu vain yhdestä luusta (dentale), muilla tetrapodeilla useista luista. Nisäkkäiden ylä- ja alaleuka niveltyvät  eri luiden välityksellä kuin muiden tetrapodien. Nisäkkäillä on lisäksi kolme kuuloluuta, jotka vievät äänivärähtelyt sisäkorvaan, vasara, alasin ja jalustin, kun taas muilla tetrapodeilla on vain yksi, jalustin. Nisäkkäiden hampaat ovat erilaistuneet etu-, kulma- ja moninystermäisiin väli- ja poskihampaisiin. Muilla tetrapodeilla sitä vastoin on tavallisesti rivi erilaistumattomia, nystermättömiä piikkimäisiä hampaita.

Yli 120 miljoonan vuoden ajan nisäkkäät polveutuivat vähitellen tetrapodiryhmästä, jota nimitetään synapsideiksi (Synapsida; eräiden lajien kalloja). Noin 300 miljoonaa vuotta sitten eläneillä varhaisilla synapsideilla oli alaleuassaan monta luuta ja piikkimäiset hampaat. Leukanivelen muodostivat luut nimeltä articulare (alaleuassa) ja quadratum (yläleuassa). Silmäkuopan takana kallossa oli ohimoaukko, jonka läpi voimakkaat puremalihakset todennäköisesti kulkivat. Aikojen kuluessa ohimoaukko siirtyi kallossa eteenpäin leukanivelen etupuolelle, mikä lisäsi purennan tehokkuutta.

Myöhemmin kehittyi synapsidiryhmä nimeltä terapsidit (Therapsida, kuvia) noin 280 miljoonaa vuotta sitten. Niiden kallossa oli kookas dentale, pitkä kuono ja ensimmäiset tunnetut erilaistuneet hampaat; kulmahampaat kasvoivat muita suuremmiksi raateluhampaiksi. Nämä kehitystrendit jatkuivat terapsidi-ryhmässä nimeltä kynodontit (Cynodontia, kuvia).

260 miljoonaa vuotta vanhoilla varhaisilla kynodonteilla dentale oli alaleuan suurin luu. Ohimoaukkko oli kookas ja sijaitsi leukanivelen etupuolella, ja nystermäiset hampaat kehittyivät ensimmäisen kerran. Varhaisempien synapsidien tavoin leukanivel muodostui articulare– ja quadratum-luista.  220 miljoonaa vuotta sitten eläneillä kynodonteilla oli jo moninystermäisiä hampaita, ja leuat niveltyivät kahdesta kohdasta: yhtäältä vanhan articulare-quadratum -mallin mukaan, toisaalta dentale– ja squamosum-luiden välityksellä. 195 miljoonaa vuotta sitten elivät myöhäisimmät kynodontit, ja niiden kallossa oli jo selviä varhaisten nisäkkäiden merkkejä. Vanhanmallinen leukanivel oli kokonaan kadonnut ja dentale niveltyi kallon squamosum-luuhun. Tämä on tilanne myös meillä nykyajan nisäkkäillä. Articulare ja quadratum olivat siirtyneet korva-alueelle, jossa ne toimivat kuuloluina. Nisäkkäiden kehityslinjassa niistä kehittyivät vasara (malleus) ja alasin (incus).

Edellä on mainittu vain muutamia kalloesimerkkejä nisäkkäisiin johtaneessa kehityslinjassa. Jos kaikki tunnetut fossiilit otettaisiin lukuun, saataisiin pitkä lista vähittäin muuttuvista ominaisuuksista ja siirtymistä ryhmästä toiseen. Osa noista fossiileista jäisi kehityksen sivuhaaroiksi, jotka kukoistivat miljoonia vuosia mutteivät lopulta tuottaneet nykyaikaan säilyneitä jälkeläisiä.