Konodonty to zagadkowe i fascynujące organizmy. Poświęcono im wiele uwagi w literaturze światowej, ponieważ spełniają ważną rolę w geologii. Co właściwie wiemy o ich wyglądzie, trybie życia, sposobie odżywiania się i jakie miejsce zajmują w ewolucji świata organicznego? Przyjrzyjmy im się dokładnie.
Nazwa konodonty została wprowadzona przez Christiana Pandera (ur. w 1794 r. w Rydze), który znalazł i w 1856 r. po raz pierwszy opisał stożkowe elementy z piaskowców ordowickich. Scharakteryzował je jako drobne, błyszczące, wydłużone szczątki bardzo podobne w kształcie do zębów ryb (fig.1).
Fig.1. Ilustracja elementów stożkowych skopiowana z monografii C.H. Pandera (1856, pl. 1)
Zagadka pierwsza: czy konodonty były zwierzętami czy roślinami?
Przez ponad sto lat naukowcy poruszali się w świecie hipotez i przypuszczeń. Sugerowano pokrewieństwo konodontów z robakami, ślimakami, stawonogami, strunowcami, a nawet roślinami. Obecnie pod hasłem „konodonty” (Conodonta) opisuje się wymarłą grupę nieposiadającą współczesnych odpowiedników, po której zachowały się głównie mikroskopijne elementy zbudowane z fosforanu wapnia (apatytu).
Elementy te, o wielkości na ogół 0,1–3 mm, są bardzo zróżnicowane pod względem kształtów, wśród których można jednak wyróżnić trzy podstawowe typy:
- stożkowe (pojedyncze stożki, patrz Fig. 1),
- gałązkowe (ostrzowe) z ząbkami osadzonymi na podstawie – gałązce (Fig. 2),
- platformowe z szerszą powierzchnią o różnych zarysach, opatrzonej ząbkami i/lub guzkami (Fig. 2).
Fig. 2. A. Aparat rodzaju Polygnathus znaleziony na powierzchni łupków karbońskich (Illinois, USA, Bois, 1943); B. Model aparatu konodonta górnodewońskiego, Muzeum PIG-PIB, fot. Katarzyna Skurczyńska-Garwolińska. W dolnej części obu figur (A, B) występują elementy platformowe, wyżej elementy gałązkowe
Zagadka druga: jak wyglądały konodonty?
Wielkim przełomem, który zakończył spór o wygląd zwierzęcia konodontowego – jedno z najdłużej trwających „śledztw” w historii paleontologii – było przypadkowe odkrycie odcisku ciała konodonta. Zostało dokonane przez kilku naukowców poszukujących skamieniałości krewetek (skorupiaków) w karbońskich warstwach krewetkowych (Carboniferous Granton Shrimp Beds) w szkockim muzeum w Edynburgu w 1982 r.
To zaskakujące znalezisko jest ważną wskazówką dla wszystkich kustoszy, że warto przechowywać nieskatalogowane zbiory skamieniałości, ponieważ nigdy nie wiadomo, kiedy staną się przedmiotem Wielkiego Odkrycia.
Fig. 3. Rekonstrukcje konodontów: A. Model konodonta – Muzeum Geologiczne PIG-PIB, fot. Katarzyna Skurczyńska-Garwolińska; B. Zestawienie ilustracji z różnych prac (m.in. H. Szaniawskiego, 1966; P. von Bitter, 2007; Najostrzejsze zęby świata: Naturalnie - Blog historii naturalnej http://kalcyt.blogspot.com)
Na podstawie znaleziska okazów z Granton (koło Edynburga) i kolejnych odkryć ustalono, że konodonty miały miękkie, wydłużone, wężowate ciało podzielone poprzecznie segmentami mięśniowymi ułożonymi w kształcie litery V. Wzdłuż ciała biegły dwie linie interpretowane jako brzegi struny grzbietowej. Przednia część zwierzęcia wyróżniała się parą wielkich oczu, a część tylna była zakończona płetwą.
Zwierzęta te osiągały rozmiary od kilku do kilkudziesięciu milimetrów, chociaż znane jest znalezisko giganta konodontowego Promissum pulchrum z ordowiku z Południowej Afryki, którego długość ciała szacuje się na ok. 400 mm, a wielkość pojedynczego elementu na ok. 20 mm. Jedynym „twardym” szkieletem był aparat zlokalizowany w części głowowej zwierzęcia.
Zagadka trzecia: do czego służyły aparaty?
Czy maleńkie składowe aparatu mogły pełnić funkcję zębów jak sugerują niektórzy badacze? Wszak zwierzę nie posiadało szczęki, mikroskopijne elementy tkwiły bezpośrednio w tkance miękkiej, a mięśnie okołogardzielowe były, sądząc z zachowanych w osadach odcisków, bardzo słabo rozwinięte.
W oparciu o najnowocześniejsze techniki badawcze stwierdzono, że stożkowate ząbki w poszczególnych elementach miały niebywale ostre krawędzie oraz wierzchołki. To za ich pomocą zwierzęta kłuły, cięły, szatkowały a, w przypadku płaskich elementów, miażdżyły pożywienie bez używania mięśni, podobnie jak rekiny, które mają dość małą siłę nacisku szczęk, ale inaczej niż np. człowiek, u którego w trakcie jedzenia nacisk zębów na pokarm wywołują mięśnie żuchwy.
Sposób rozdrabniania bez użycia mięśni sprawiał, że odsłonięte części ząbków (te które nie tkwiły w tkance miękkiej) ścierały się, tępiły i łamały. Zwierzę miało jednak zdolność ich regenerowania, o czym wiemy z obserwacji takich uszkodzonych i wtórnie „naprawionych” elementów.
Konodonty zatem wytworzyły wyjątkowy, perfekcyjny aparat pokarmowy niespotykany u innych organizmów, który błyskawicznie zmieniał się wraz ze zmianą pożywienia, co zapewne tłumaczy obecność konodontów w różnych ekosystemach i ich szybkie tempo ewolucji.
Zagadka czwarta: jak wydobyć szczątki konodontów ze skał?
Proces izolowania elementów ze skał jest mozolny, czasochłonny i może zająć wiele tygodni pracy w laboratorium.
Zwykle okazy są uwalniane przez rozpuszczenie skał w wyniku działalności słabego kwasu octowego lub mrówkowego, a w przypadku skał krzemionkowych fluorowodorowego. Pozostałość po takiej preparacji jest wzbogacana w elementy konodontowe za pomocą ciężkiej cieczy, np. poliwolframianu sodu (ciężar właściwy apatytu konodonta 2,8-3,10 g/cm3 jest znacznie większy od kalcytu czy kwarcu). Fragmenty ciężkie w tym z okazami konodontowymi opadają na dno, a na powierzchni zbierają się składniki lżejsze.
Po tym etapie można przystąpić do wybierania okazów pod mikroskopem, a następnie do ich oznaczania i podziału na rodzaje i gatunki.
Zagadka piąta: jak klasyfikuje się elementy konodontowe?
Ponieważ mikroskopijne elementy konodontowe są zwykle jedynymi szczątkami zwierzęcia stwierdzanymi w osadach, dlatego znaczna część podziału systematycznego (taksonomii) gromady Conodonta oparta jest właśnie na nich. Podział oparty na pojedynczych elementach jest taksonomią sztuczną, można by go porównać do systematyki dinozaurów opartej na pojedynczych kościach.
Znacznie bliższa naturalnej systematyce jest taksonomia wieloelementowa oparta na aparatach. Aparaty są znajdowane albo w całości w osadach (bardzo rzadkie znaleziska) albo rekonstruowane są statystycznie w wyniku procedury grupującej osobne elementy z kolekcji. Taksonomia wieloelementowa jest oczywiście bardziej pożądana, ponieważ odnosi się do całego organizmu a nie pojedynczych szczątków.
Obecnie opisanych jest ponad 1500 gatunków należących do 550 rodzajów i do ponad 50 rodzin, a prawdopodobnie wiele innych taksonów wciąż czeka na odkrycie. Jednakże tylko jedna trzecia z około 550 rodzajów została ustalona (lub zreinterpretowana) w kategorii taksonomii wieloelementowej, co sprawia, że ewolucyjne powiązania ponadrodzajowe nie są pewne.
Zagadka szósta: pochodzenie konodontów – czy konodonty to kręgowce?
Chociaż od czasu Christiana Pandera napisano już kilkadziesiąt prac dotyczących pokrewieństwa konodontów, to pozycja systematyczna tej gromady ciągle jest niejasna.
Obecność hipotetycznej struny grzbietowej przekonała większość uczonych, że należą do strunowców (Chordata). Ale ciągle trwa dyskusja, czy są to najprymitywniejsze szczękouste (Gnathostomata) w obrębie kręgowców właściwych (Euvertebrata); czy może reprezentują niższy stopień rozwoju zbliżony do śluzic i minogów (kręgoustych – Cyclostomata), zaliczanych do prymitywnych kręgowców pozbawionych szczęki (Agnatha); a może stoją jeszcze niżej, nawet poniżej strunowców.
Tę ostatnia hipotezę wspierają nieliczni badacze, którzy sugerują, że konodonty mogą być spokrewnione ze szczecioszczękimi (Chaetognatha) zwanymi popularnie strzałką morską. Grupa ta żyje współcześnie a badania genetyczne wykluczyły jej pokrewieństwo ze strunowcami umiejscawiając ją w obrębie pierwoustych (Protostomia). Dokładniejsza pozycja systematyczna szczęcioszczękich nie jest jednak znana.
Zagadka siódma: w jakich środowiskach konodonty czuły się najlepiej?
Elementy, aparaty oraz odciski miękkiego ciała znajdowane są tylko w morskich skałach osadowych, takich jak węglany, łupki ilaste i krzemionkowe, mułowce czy też piaskowce. Nigdy nie znaleziono ich w utworach pochodzenia lądowego. Po śmierci zwierzęcia tkanki miękkie ulegały rozkładowi. Aparat gębowy najczęściej rozpadał się na poszczególne składniki, które opadały na dno, gdzie ulegały wymieszaniu w wyniku chociażby niewielkiego ruchu wody.
Analiza rozprzestrzenienia elementów w osadach wykazała preferencje środowiskowe zwierząt konodontowych. Jak się okazuje, występowanie ich było uzależnione od głębokości morza, odległości od brzegu, energii wód, ich temperatury, zasolenia, zawartości tlenu czy dostępności pokarmu.
Na podstawie rozkładu różnych taksonów (głównie w randze rodzaju) a także właściwości budującego ich szkielet apatytu, który rejestruje skład wody morskiej, możemy rekonstruować środowiska morskie, wyróżniać strefy przybrzeżne i te położone z dala od brzegu, odtworzyć zmiany chemiczne wody morskiej w czasie geologicznym, a także interpretować położenie dawnych lądów i mórz.
Zagadka ósma: do czego przydają się konodonty w geologii i co wspólnego mają z ropą naftową i gazem ziemnym?
Chociaż przez 120 lat nie było nic wiadomo o zwierzęciu konodontowym to elementy jego aparatu były intensywnie praktycznie wykorzystywane w geologii jako ważne narzędzie do datowania i korelowania (porównywania w czasie) skał paleozoicznych i triasowych w skali regionalnej i globalnej.
Powszechność występowania elementów konodontowych, szybkie ewolucyjne zmiany budowy, duża liczebność nawet w małych próbkach z rdzeni wiertniczych, tempo rozprzestrzeniania się i znaczny zasięg geograficzny, sprawiły, że stały się wyjątkowo cenne dla biostratygrafii. Jest to dziedzina stratygrafii wykorzystująca skamieniałości do określenia wieku skał, przy czym, najmniejszą (najkrótszą) jednostką wiekową jest poziom (biozona).
To właśnie na poziomach konodontowych, wydzielanych na podstawie tzw. taksonów wskaźnikowych, oparto podziały biostratygraficzne od ordowiku po trias. Podziały te należą do najdokładniejszych, a w niektórych odcinkach czasu geologicznego nie mają sobie równych pod względem precyzji (np. w dewonie środkowym i górnym lub w triasie środkowym).
Wystarczy powiedzieć, że okres dewonu podzielono na 90 poziomów (Geologic Time Scale, 2020), których średnia długość trwania wynosi około 660 tysięcy lat. Dla porównania podział amonitowy dla dewonu obejmuje 77 poziomów o średniej długości 860 tysięcy lat, przy czym amonity są znacznie rzadszymi i mniej licznymi w osadach skamieniałościami.
Taksony wskaźnikowe konodontów pełnią rolę głównych markerów wyznaczających granice wieku er, okresów i pięter w paleozoiku i w triasie. Dzięki biostratygrafii konodontowej datujemy i korelujemy zjawiska geologiczne takie jak: zdarzenia wymierania, inne ważne zdarzenia ewolucyjne jak w przypadku rozwoju pierwszych czworonogów, globalne wahania poziomów morza czy połączenia mórz śródlądowych z oceanem.
Jest też ona punktem wyjścia dla wszystkich innych dziedzin stratygrafii (sedymentologii, magnetostratygrafii, geochemii, cyklostratygrafii) ponieważ bez odniesienia do dokładnego podziału biostratygraficznego wyniki tych badań wisiały by w próżni.
Nie możemy pominąć istotnego znaczenia elementów konodontowych dla poszukiwania ropy naftowej i gazu ziemnego. Otóż między warstewkami fosforanu wapnia, z których zbudowane są elementy, uwięziona jest materia organiczna. W wyniku podgrzewania w głębi Ziemi materia zmienia kolor od jasnożółtego do jasnobrązowego, czarnego i w końcu białego i nieprzezroczystego. Skala barw (tzw. wskaźnik CAI – Colour Alternation Index) została wykorzystana do oceny stopnia przeobrażenia materii organicznej, a więc i osadów macierzystych dla ropy i gazu. Ta ocena może nam wiele powiedzieć o możliwości występowania złóż tych węglowodorów. Stwierdzono, że ciemnożółty kolor okazów odpowiada zakresowi temperatur od 80 do 120°C co sugeruje możliwość występowania ropy naftowej, natomiast kolor brązowy pojawia się w temperaturze od 120-200°C co może świadczyć o obecności złóż gazu ziemnego.
Fig. 4. Biostratygraficzne podziały dewonu na podstawie konodontów, amonitów, małżoraczków, chitinozoa (szczątki organizmów nieznanego pochodzenia) i dakriokonaridów (tentakulity)
Kolejne zagadki, które czekają na rozwiązanie
Wiedzę o konodontach gromadzono przez ponad 150 lat, ale wciąż wiele zagadnień pozostało do rozwikłania.
Na jakim szczeblu rozwoju stały konodonty; czy ich aparat pokarmowy był wyjściowy dla kręgowców; co jadły; jak łapały pokarm – czy aktywnie polowały, czy były padlinożercami jak śluzice, a może pasożytami jak minogi, a może paraliżowały swoją ofiarę jadem przed pożarciem, a może były wszystkim po trochu w zależności od środowiska w którym zamieszkiwały.
Dlaczego miały takie wielkie oczy? czy ten organ tak bardzo rozwinął się aby dostrzec ofiarę czy wroga, a może reagowały na bioluminescencję i przez to łatwiej znajdowały pokarm. Wiemy, że posiadały płetwę więc mogły pływać, ale jak mogły, przy tak niewielkich rozmiarach, przemierzać tysiące mil morskich? Czy przenosiły się wraz z rybami, a jeśli tak to jak: czy jako pasożyty, czy w symbiozie ze swoim „pojazdem”. Jak się rozmnażały i w końcu dlaczego wyginęły pod koniec triasu?
Drogi Entuzjasto skamieniałości i nowoczesnych technik badawczych! Jeśli uważasz, że przeszłość jest kluczem do przyszłości, jeśli chcesz poznać początki naszych przodków – kręgowców i zdarzenia mogące nas „zmieść” z powierzchni pięknej, błękitnej Planety – spróbuj przeniknąć tajemnice konodontów.
Tekst: Katarzyna Narkiewicz
Dr hab. Katarzyna Narkiewicz, prof. instytutu prowadzi od 1989 r. badania nad konodontami w Państwowym Instytucie Geologicznym - Państwowym Instytucie Badawczym. Jest cenionym na świecie specjalistą, a jej prace mają duże znaczenie dla systematyki i stratygrafii konodontów, w tym triasowych i dewońskich. Znaczenie praktyczne mają badania indeksu kolorystycznego elementów konodontowych wykorzystywane do oceny ropo- i gazonośności.
Artykuł został opracowany w ramach zadania: Współpraca krajowa w zakresie geologii i promocja działań państwowej służby geologicznej w latach 2021–2023
