4.4. Fosili pričaju o početku života

Naučnici proučavaju fosile mnogih biljka i životinja da bi saznali gde i kada su biljke i životinje živele, koliko dugo su živele, šta su životinje jele i kako su uginule. Fosili nam govore kakva je bila klima u prošlosti (npr. rast prstenova fosilnih stabala). Gotovo svakodnevno koristimo fosile. Fosilna goriva (ugalj, nafta, prirodni gas) su naš glavni izvor energije .

Da li možete da zamislite koliko se mnogo informacija može dobiti iz fosila?

Fosili su kao knjiga kojoj nedostaje mnogo stranica.

Zašto?

Mnoštvo fosila je već pronađeno i još uvijek se pronalaze novi. Nažalost, možda postoje mnoge biljke i životinje koje nisu ostavile traga te zato nikad nećemo pronaći njihove fosile. Dakle, imamo knjigu kojoj dodajemo stranice svakim novim otkrićem, međutim, ta knjiga verovatno nikada neće biti potpuna. To je i razlog zašto poznajemo samo maleni deo živog sveta koji je nekada živeo na našoj Zemlji.

Kako znamo kada se pojavio život na Zemlji?

Nađeni su fosilizovani oblici mikroskopskog života takozvani fosili.

Stromatoliti su fosilni ostaci modrozelenih algi. Smatra se da sadrže najstarije tragove života na Zemlji. Najstariji poznati stromatoliti stari su su između 3.710 i 3.695 miliona godina,

To su prirodno očuvani ostaci ili tragovi drevnih životinja, biljaka ili drugih organizama.

Fosile možemo čitati kao zapis životnih oblika koji su nekada postojali na Zemlji. Oni su najbolji tragovi o istoriji života na Zemlji. Pomoću njih možemo rekonstruisati izgled organizama, uzroke izumiranja, brzinu evolucije, itd. Praktično sve znanje koje posedujemo o biljkama i životinjama iz daleke prošlosti, potiče od fosila.

Fosili najstarijih životinja pokazuju nam da se život na Zemlji neprestano menjao. Neke vrste su tokom vremena nestale, a neke nove su se razvile.

Kako se naziva nauka koja proučava fosile?

Nauka koja proučava oblike života koji su postojali na Zemlji jeste paleontologija.

Postoji više načina na koje se mogu formirati fosili. Proces kojim se formiraju fosili naziva se fosilizacija. Proces je veoma dug i može trajati hiljade, pa čak i milione godina.

Da bi se formirali fosili, potrebni su posebni uslovi. Telo uginule životinje ili biljke mora biti zaštićeno od kiše i vetra. To praktično znači da organizam mora biti zatrpan ubrzo nakon uginuća. To je i razlog zbog čega su fosili retki. Ono što je zanimljivo jeste da je pronađeno najviše fosila morskih organizama, zato što takve organizme naslage materijala prekrivaju,  brže nego što je to slučaj na kopnu.

Tokom fosilizacije telo istruli, ali iza sebe ostavi oblik tela očuvan u kamenu, u okamenjenim mineralima, smolama, itd. Veoma retko se uz fosile mogu naći tragovi organske materije.

U posebnim uslovima (led, so, bitumen, smola, suve oblasti) se mogu sačuvati koža, krzno, pa čak i mekano tkivo organizma. Kada je tkivo dobro očuvano, tada se iz njega može izdvojiti DNK.

Kako nastaju fosili u prirodi?

Fosili mogu nastati na nekoliko načina. Ovde ćemo ukratko navesti samo neke od njih.

Okamenjivanje (petrifikacija)

U ovom procesu se organski materijal zamenjuje mineralima. Nakon što ugine, organizam ubrzo mora biti prekriven sedimentom kako bi se sprečilo njegovo propadanje. Voda iz okoline bogata mineralima popunjava pore skerleta. Dolazi do raspada organskih delova koje zamenjuju okamenjeni minerali. Za to je potrebno nekoliko miliona godina.

Primeri: većina pronađenih kosti i drvo.

Karbonizacija

Dešava se većinom u močvarnim sredinama kada uginuli organizam dospe u mulj i tako biva izolovan od vazduha. Pri ovom procesu iz uginulog organizma izlaze voda i ugljen-dioksid, a ostaju čvrsti ugljovodonici. Na ovaj način se najčešće fosilizuju biljke i tako nastaje ugalj.

Do karbonizacije može doći i prilikom vulkanskih erupcija i požara. Najpoznatiji primer je erupcija vulkana Vezuv 79. godine, kada su organizmi zatrpani vrućim pepelom, što se dogodilo i gradovima Pompeja, Herkulanej, Oplontis i Stabija.

Fosili nastali karbonizacijom ponekad pokazuju detaljnu strukturi organizma. Takvi fosili su najčešće nastali od lišća, riba i insekata.

Konzervacija

Do procesa konzervacije može doći u posebnim uslovima kao što su niske temperature (zaleđivanje), suvi predeli (muminifikacija), očuvanost u smoli i dr. Pri tome se mogu sačuvati koža, krzno, pa čak i mekano tkivo organizma. Kada su tkiva dobro očuvana, iz njih se može se izdvojiti i DNK.

Savremeni život zahteva više energije nego što je to bilo potrebno prije sto i pre više stotina godina. Većina ove energije potiče od fosilnih goriva (preko 80%): uglja, nafte i prirodnog gasa. Nafta i gas su ugljovodonici (molekuli koji se sastoje samo od vodonika i ugljenika). Ugalj sadrži uglavnom ugljenik. Sva fosilna goriva su nastala tokom dugog vremenskog perioda od ostataka biljaka i životinja koji su živele pre više miliona godina, pre ere dinosaura.

To je bilo vreme (pre više milona godina) kada je Zemlja drugačije izgledala. Bila je prekrivena močvarama i morima ispunjenim mikroorganizmima, životinjama, velikim drvećem, papratima i drugim velikim listopadnim biljkama. U jednom trenutku je došlo do raspadanja njihovih ostataka, pri čemu je nastao organski materijal. Kada su biljke i organizmi umirali, potonuli su na dno mora i močvara. Vremenom su izumrle organizme prekrili slojevi peska, mulja i drugih materijala, koji su se nakon toga pretvorili u sedimentne stene.

Tokom miliona godina taložili su se novi slojevi, pa je organska materija postala sve dublje zakopana ispod teških slojeva sedimentnih stena. Stene su stvarale velik pritisak pod tlom i javljala se visoka temperatura, što je u uslovima bez kiseonika (anaerobna sredina) dovelo do hemijskih promena u organskoj materiji, tako da je nakon miliona godina stvoreno fosilno gorivo.

Zašto kažemo da su fosilna goriva neobnovljiv izvor energije?

Mada se fosilna goriva konstantno formiraju putem prirodnih procesa, njih smatramo neobnovljivim, pošto je za njihovo formiranje potrebno da prođu milioni godina.

Da li nam fosilna goriva pri sagorevanju  stvaraju probleme?

Biljke i alge stvarale su energiju u procesu fotosinteze. Akumulirale su ugljenik. Nastala fosilna goriva sačuvala su u sebi ove ogromne količine ugljenika. Kada ih sagorevamo, tada „otključavamo ugljenik“ i ponovo ga vraćamo u atmosferu. Fosilna goriva postaju najveći izvor ugljen-dioksida, gasa staklene bašte koji doprinosi klimatskim promenama.

Fosili su se godinama skrivali u stenama Zemlje, ledenim glečerima, smolama drveta, naslagama soli, itd., sve dok ih čovek nije otkrio.

Naučnici su krajem 2017. godine pronašli fosile za koje se pretpostavlja da su stari između 3,77 i 4,28 milijarde godina. Podsetimo se da je Zemlja je stara 4,5 milijarde godina. To bi moglo značiti da je život na Zemlji počeo ranije nego što se do tada mislilo. Tada je naša planeta Zemlja još uvek bila u fazi razvoja. Ovi fosili pronađeni u jednoj od najstarijih formacija stena na svetu u Kanadi.

Ne školi da ponovimo još jednom, Zemlja je stara 4,5 milijarde godina!

Ovi fosili su veoma mali. Dužina im je manja od pola milimetara a njihova debljina je manja od debljine ljudske dlake i imaju oblik vlakna.

To je do sada najstariji zabeleženi oblik života na Zemlji!

Najstariji fosili nam otkrivaju da je život na Zemlji mogao da počne i da se razvija i pre 3,5 milijarde godina, mada niko ne zna koliko ranije.

Da, pronađeni su fosili višećelijskih organizama.

Da, za to postoje fosilni dokazi. Najstariji fosilni dokazi biljke kuksonija jesu istovremeno i dokazi biljaka na kopnu koji potiču od pre 425 miliona godina. Oni pripadaju biljci poznatoj pod imenom kuksonija.

Prve kopnene biljke vode poreklo od zelenih algi. One su bile majušne (nekoliko centimetara), nisu imale ni lišče, ni cvet ni semena.

Ugljenikov sat

Nakon smrti živog organizma broj atoma C-14 postepeno počinje da se smanjuje. Poluvreme života ugljenika je 5730 ± 40 godina (pogledajte grafik u poglavlju 1.2. i sliku dole). Ugljenik C-14 se raspada na azot N-14. Utvrđivanjem odnosa ugljenika C-14 i C-12 može se odrediti koliko se dugo ugljenik C-14 raspadao, te samim tim, iz kojeg je doba fosil.

Paleomagnetizam

Paleomagnetizam je metoda u geofizici, koja se bazira na analizi karakteristika magnetnog polja na uzorcima stena sedimenata ili arheološkog materijala, u odnosu na današnje magnetsko polje. Ova metoda se koristi za fosile pronađene u stenama ili sedimentima stare između 200.000 i 600.000 godina.

Magnetno polje Zemlje se menjalo kroz geološka razdoblja. Poznajući istorijat promena magnetnog polja Zemlje, može se identifikovati vreme nastanka stene, čiji je uzorak paleomagnetski ispitan.

Molekularni sat

Dobro vam je poznato da za merenje vremena koristimo časovnik, a da bi se odredilo „vreme“ (starost) fosila, koristi se „molekularni sat“. Ovaj sat vam neće reći koliko je sada časova, ali će vam ipak pokazati vreme, i to u skali epoha (vremenski period).

Ideja koja stoji iza molekularnot sata je sledeća: ukoliko dva organizma imaju isti gen, taj gen mora postojati i kod njihovog zajedničkog pretka. Što je veća sličnost, to je i povezanost veća.

„Molekularni sat“ pokazuje kada su se dva ili više oblika života razdvojila. Da bismo to saznali, obično koristimo delove DNK, nukleotide ili aminokiselinske sekvence. Kako se DNK postepeno menja sa vremenom, on se može koristiti za merenje vremena. Ovaj sat je takođe poznat i pod imenima „genski sat“ ili „evolucioni sat“.

Kako radi molekulski sat – hipotetički primer?

Da bismo videli kako radi molekulski sat, upotrebićemo jedan jednostavan hipotetički primer. Radi lakšeg razumevanja delovanja molekulskog sata, odabrali smo životinje koje možete sresti u vašoj okolini i njihove pretke. Treba napomenuti da njihova veza u smislu razlika u DNK nije realno prikazana.

Pokušaćemo da nađemo kako su u dalekoj prošlosti miš, maca i kuca međusobno povezani. Da bismo to videli, potrebno je da pronađemo sličnosti i razlike između njih. Zbog toga ćemo uraditi analizu njihovih DNK. Ova analiza služi da nam pokaže kakve su razlike ili sličnosti u njihovim DNK.

Pogledajte dijagram koji pokazuje kako su povezani.

Da li je to dovoljno da odredimo starost ovih fosila pomoću molekulskog sata?

Ne, nije. Molekulski sat se prvo mora kalibrisati (podesiti) nekim, nezavisnim dokazima datiranja. Za to moramo imati fosilne ostatke zajedničkog pretka ovih životinja ili nekog starijeg fosila. U ovom slučaju to su fosilni ostaci morganukodona čija je starost 200 miliona godina. To je period kada su se pojavili prvi preci današnjih sisara iz kojih su potekli miš, maca i pas, pa i čovek.

Starost fosila je ustanovljena na osnovu starosti geoloških stena u kojima su fosili pronađeni, te radioizotopskim datiranjem (prirodni sat).

Brzina evolucije

 d  je genetička razlika

T  je vreme divergencije

Da bismo to odredili, prvo moramo odrediti brzinu evolucije (brzinu kojom otkucava molekulski sat), . Ona se dobija pomoću broja genetičkih promena (promena nukleotida u strukturi DNK), , i vremena divergencije, . Ovo je zasnovano na pronađenom DNK zapisu fosila (morganukodon) u odnosu na DNK današnjih životinja.

Nukleotidi su osnovni strukturni elementi DNK. Sastoje se od šečera (pentoze), fosfata i nukleotidne baze (adenin, citozin, guanin, timin) prema kojima nukleotidi i dobijaju ime.

Kako je određena brzina evolucije kod naših „junaka“?

Znamo koliko iznosi starost fosila, miliona godina (ili godina), kao i genetičku razliku, između fosila i miša

Brzina kojom se dešavaju genetske promene je

.

Time smo odredili brzinu kojom molekulski sat otkucava. Nju možemo primeniti za druge organizme kako bismo izračunali starost drugih fosila.

.

Razlike u DNK su predstavljene u odvojenim granama. Na svakoj grani imamo prikazane razlike u DNK u odnosu na zajedničkog pretka.

Da vidimo sada pre koliko godina (), su se kuca i maca razdvojili od zajedničkog pretka.

Ako odemo u prošlost, videćemo da postoji tačka grananja, u kojoj DNK zajedničkog pretka počinje da se razlikuje  od DNK kuce i mace.

Kako ćemo to odrediti?

Koristićemo genetičku razliku između kuce i mace, za koju znamo da iznosi .

Možemo zapisati:

.

Sledi da je vreme kada su se kuca i maca razdvojili od zajedničkog pretka

.

Dakle kuca i maca su se od zajedničkog pretka razdvojili pre 10 miliona godina.

Ovde se koristi faktor 2 pošto je broj genetskih promena od zajedničkog pretka do mace jednak broju genetskih promena od zajedničkog pretka do kuce, a do tih promena došlo je u istom vremenu .

Sada treba odrediti pre koliko godina je došlo do razdvajanja miša od kuce i mace. Koristićemo genetske razlike između miša i kuce odnosno mace. Genetska razlika između miša i kuce je jednaka genetskoj razlici između miša i mace, za koje znamo da iznose .

Možemo zapisati:

Vreme kada su se razdvojili od zajedničkog pretka je

.

.

Pronašli smo vremena kada je došlo do razdvajnja:

• kuce i mace od njihovog zajedničkog pretka,

.

• miša, kuce i mace od njihovog zajedničkog pretka

.

A možemo i izračunati genetske razlike između pojedinih životinja i njihovih predaka.

Šta za nas znači otkriće fosilnih goriva?

Pronašli smo i još uvek pronalazimo fosile. Oni nam pričaju priču o nastanku života. Otkrili smo fosilna goriva i naučili kako da ih koristimo. Korišćenjem fosilnih goriva smo dobili toliko neophodnu energiju, te smo načinili naš život raznovrsnijim i lepšim.

Da li samo to?

Donelo nam je i nove probleme. Fosilna goriva pri sagorevanju proizvode velike količine ugljen-dioksida (CO₂). Ugljen-dioksid je gas staklene bašte, on zarobljava toplotu u atmosferi i dovodi do klimatskih promena. Sagorevanjem se u atmosferu ne emituje samo ugljen-doksid, već i gasovi koji doprinose kiselim kišama (sumpor-dioksid, azotni oksidi). Tu je i ogromnu većinu čađi (čestica) u atmosferi, a mi to udišemo. Transportna sredstva koja koriste fosilna goriva goriva glavni su uzročnici otrovnog ugljen-monoksida i azot-oksida, koji proizvodi smog. Više o tome u drugoj knjizi.

Rešenje?

Koristiti druge izvore energije (neobnovljivu energiju), smanjiti, koliko god je to moguće, upotrebu fosilnih goriva, koristiti sve moguće mere kako bi se sprečila emisija nepoželjnih materija u atmosferu.