Geologia

Góry Świetokrzyskie – perła paleontologi. Geologia

geologia, górny dewon, tetrapody, plakodermy, geoturystyka, Krok po kroku postaram się przybliżyć te i inne walory Gór Świętokrzyskich i całego regionu. Na początek dla bardziej dociekliwych i może zaangażowanych geologia według autorytetów. Oryginalny tekst Dr. Piotra Szreka o „rybach” pancernych.

Jesteśmy, według niektórych, w najstarszych górach Europy (ale niekoniecznie). Dla wartości, które nas interesują (geologia) nie ma to szczególnego znaczenia.

 

ryba-pancerna

„Ryby pancerne z Gór Świętokrzyskich – polski ślad w badaniach nad wymarłą gromadą kręgowców”. Piotr Szrek

Dewon (ok. 415-360 milionów lat temu) jest niekiedy nazywany „wiekiem ryb”.

Nie bez powodu. Poza grupami wodnych kręgowców – ryb – jakie znamy dzisiaj (kostnoszkieletowe i chrzęstnoszkieletowe) w morzach i oceanach żyły jeszcze dwie wymarłe dziś gromady. Znamy wyłącznie ze skamieniałości. Były to ryby fałdopłetwe (Acanthodii) i pancerne (Placodermi). Pomiędzy wszystkimi grupami panowała ostra konkurencja. Śmiało można ją nazwać ewolucyjnym wyścigiem zbrojeń. Polegał on na pojawianiu się coraz to nowych „wynalazków” ewolucyjnych. Były to pancerze, mocne płetwy czy różne rodzaje uzębienia, które miały zastosowanie w czasie doboru naturalnego. Przebieg tego wyścigu oraz jego finał miał miejsce pod koniec okresu dewońskiego. Jego efekty możemy obserwować do dziś.

Symbolem ryb z okresu dewońskiego jak też głównym aktorem tej opowieści jest grupa ryb pancernych (plakodermów).

Były to prymitywne kręgowce morskie, które pojawiły się jeszcze w sylurze. Jednak szczyt ich rozwoju i dominacji miał miejsce w czasie późnego dewonu. Ryby te charakteryzowały się tym, że ich głowa i przednia część tułowia były pokryte pancerzem zbudowanym z kości skórnej. Człowiek również posiada kości skórne z których zbudowane są m in. obojczyki. To właśnie ten pancerz zachowuje się najczęściej w formie skamieniałości po tych zwierzętach. U prymitywnych pancernych bezszczękowców, które żyły jeszcze przed plakodermami, pełnił on rolę broni defensywnej i „osobistego” magazynu soli mineralnych. Jednak w toku ewolucji jego rola bardzo się zmieniała. U plakodermów mamy już do czynienia z funkcją tego pancerza głównie jako szkieletu. W tym przypadku zewnętrznego. Pozostaje również jego rola obronna.

Ryby pancerne były grupą niezwykle zróżnicowaną. Co nie powinno dziwić biorąc pod uwagę fakt, że żyły na Ziemi przez 70 milionów lat.

W tym czasie były obecne na całym świecie i zdołały opanować niemal wszystkie morskie nisze ekologiczne. Będąc jednocześnie aktywnymi kilkunastometrowymi drapieżnikami, jedno- dwumetrowymi zjadaczami bezkręgowców i mniejszych ryb oraz kilkucentymetrowymi mułojadami. Gromada Placodermi jest niekiedy dzielona na dziewięć i więcej jednostek systematycznych. Bezspornie można wyróżnić siedem dobrze zdefiniowanych rzędów. Są to: Acanthothoraci, Rhenanida, Antiarchi, Petalichthyida, Phyllolepida, Ptyctodontida i Arthrodira. Podział ten jest oparty na cechach morfologicznych pancerza, takich jak ilość, wielkość i proporcje budujących go tarcz. Charakter granic między nimi, sposób przebiegu kanałów linii czuciowych, umiejscowienie narządów zmysłów, typ ornamentacji, stopień spłaszczenia, sposób połączenia stawowego pancerza głowy z pancerzem tułowia oraz sposób wykształcenia szczęk. Różne przystosowania środowiskowe wpłynęły na kształt i rozmiary pancerza. U tych, prowadzących mułożerny tryb życia, rozrósł się on i objął ponad połowę długości ciała, opancerzając kostnymi płytami nawet płetwy piersiowe (Bothriolepis). Z drugiej strony u niektórych plakodermów pancerz nie pełnił żadnej istotnej funkcji. Tak jak u ptyktodontów, odżywiających się opancerzonymi zwierzętami zamieszkującymi okolice rafy, uległ on znacznej redukcji.

Pomimo niezwykłej różnorodności architektury pancerza, zasadniczy schemat jego budowy powtarza się u wszystkich kilkuset znanych dotychczas gatunków.
(ramka: porównanie dwóch odmiennie wykształconych czaszek plakodermów).

Poza pancerzem tylna część ciała plakodermów mogła być pokryta łuskami o różnej wielkości, kształcie i ornamentacji. Łuski posiadały jednak tylko nieliczne plakodermy, m in. w rzędzie Antiarcha i Rhenanida. Ryby pancerne na początku swego istnienia (w sylurze i na początku dewonu) nie były grupą dominującą i żyły w cieniu drapieżnych ryb fałdopłetwych i kostnoszkieletowych. Dopiero od środkowego dewonu (ok. 385 milionów lat temu) pojawiły się duże plakodermy drapieżne. Ich skamieniałości pojawiają się od tego czasu bardzo licznie. Również w dewonie środkowym na pierwszy plan wysunęła się grupa pancernych, która zdominowała wszystkie inne – Arthrodira (stawogłowe). Artrodiry były plakodermami które ewolucja wyposażyła lepiej niż inne. Pancerz głowy był połączony z pancerzem tułowia za pomocą specjalnego zawiasu składającego się na parę wyrostków na płytach tułowia i parę panewek stawowych na pancerzu głowy. Dodatkowo pomiędzy obiema częściami pancerza był nieopancerzony, pokryty wyłącznie naskórkiem kark, kryjący niezwykle silne mięśnie. Taka budowa umożliwiała podniesienie czaszki do góry względem tułowia, co sprzężone z opuszczeniem szczęk dawało niezwykle szerokie rozwarcie pyska. Z pewnością był to bardzo przydatny w polowaniu mechanizm pozwalający na zwiększenie skuteczności ataku zassaniem ofiary wprost do pyska (ramka: rozwarcie pyska).

Innym wynalazkiem, właściwym tylko dla tych plakodermów, jest niezwykła budowa szczęk.

Posiadały one żuchwę oraz dwie pary górnych płyt zębowych przyrośniętych do mózgoczaszki. Jednak najbardziej nietypową cechą zwłaszcza dla plakodermów jako drapieżników, jest brak zębów. Szczęki były zbudowane z kości skórnej, takiej jak reszta pancerza, a ich powierzchnia była pokryta tkanką podobną do zębiny. Krawędzie szczęk były niekiedy ząbkowane, posiadały wyrostki nieraz do złudzenia przypominające zęby. Jednak nawet takie struktury były integralną częścią całej szczęki. Nie posiadały zatem możliwości regeneracji. Paleontolodzy badający plakodermy mają ułatwione zadanie przy określaniu wieku osobnika reprezentowanego przez badaną skamieniałość na podstawie starcia powierzchni trącej. Oczywiście tylko w przypadku dysponowania dobrze zachowaną szczęką, co niestety jest nadzwyczaj rzadkie. Jak już wspomniałem, spośród wszystkich szczątków plakodermów, w stanie kopalnym najczęściej zachowują się głównie elementy pancerza. Jest to zrozumiałe biorąc pod uwagę masywność tarcz, których grubość w niektórych przypadkach osiągała 10 cm. Szkielet wewnętrzny na który składał się m in. kręgosłup i mózgoczaszka był zbudowany z chrząstki i w stanie kopalnym zachowuje się niezwykle rzadko.

Dokładne przyczyny wymarcia tej grupy kręgowców na przełomie dewonu i karbonu nie zostały do końca poznane i określone w sposób ostateczny.

Największy bowiem kryzys jaki miał miejsce w dewonie (tzw. wielkie wymieranie na granicy franu z famenem) nie odcisnął swojego piętna na plakodermach w sposób tak dramatyczny jak na innych grupach. Zniknięcie plakodermów może być wiązane z wyparciem ich z kolejnych środowisk przez bujnie rozwijające się pod koniec dewonu ryby kostnoszkieletowe i chrzęstnoszkieletowe. To właśnie te dwie grupy wygrały wspomniany wcześniej „ewolucyjny wyścig zbrojeń” . I ukształtowały zaczyn świata kręgowców jaki znamy z późniejszych, młodszych dziejów życia na Ziemi (akantody żyły jeszcze do końca permu, jednak były nieliczne i nie odgrywały ważnej roli).

Wśród bogatej literatury światowej na temat plakodermów ważne miejsce mają publikacje dotyczące ryb pancernych z terenu Polski.

Po raz pierwszy skamieniałości ryb pancernych z Gór Świętokrzyskich opisał Georg Gürich, niemiecki geolog z Wrocławia, który położył duże zasługi w badaniach geologicznych ziem polskich. On to opisał ryby, m in. pancerne, z dolnodewońskich „piaskowców plakodermowych” z Daleszyc koło Kielc, którym nadał zresztą tę nazwę. Duże znaczenie ma działalność Jana Czarnockiego, wybitnego geologa z Państwowego Instytutu Geologicznego. Prof. Czarnocki w swojej działalności, głównie w okresie międzywojennym, szczególną uwagę poświęcał Górom Świętokrzyskim. W czasie swoich licznych wypraw terenowych zebrał niezwykle bogaty materiał skamieniałości ryb, który później był przedmiotem opracowań naukowych i do dziś stanowi cenny materiał porównawczy. Badaczką, która na podstawie skamieniałości zebranych przez Jana Czarnockiego napisała pierwszą polską pracę naukową o plakodermach była Zinaida Gorizdro-Kulczycka z Muzeum Ziemi w Warszawie. W 1934 roku opracowała ona ptyktodonty – grupę pancernych charakteryzujących się masywnymi szczękami, odżywiających się opancerzoną fauną (tzw. durofagi).

Największe zasługi i wkład w światową naukę o rybach pancernych wniósł syn Zinaidy – Julian Kulczycki – również związany z Muzeum Ziemi.

Jego dorobek dotyczący ryb pancernych obejmuje tylko dwie prace, jednak monografia z 1957 roku stanowi jedyne w swoim rodzaju dzieło. Opisał on cały znany mu materiał skamieniałości górnodewońskich plakodermów z Gór Świętokrzyskich. W tej pracy poruszył zagadnienia takie jak np. sprawa „uzębienia” ryb pancernych, które wyprzedzały jego epokę i dopiero dziś są dyskutowane w świecie. Obie jego prace (z 1956 i 1957 roku) są dziś często cytowane. Po „epoce Kulczyckiego” badania na plakodermami z Polski zamarły na 40 lat i zostały wznowione dopiero pod koniec lat ’90 XX wieku w Zakładzie Paleontologii Wydziału Geologii Uniwersytetu Warszawskiego przez Michała Gintera. Obecnie są prowadzone przeze mnie. Aby skamieniałe tarcze mogły zostać rozpoznane i opisane muszą wykazywać dobry stan zachowania. Wiąże się to z umiejętnym wydobyciem kości ze skały, ponieważ bardzo rzadko udaje się znaleźć „gotowe” okazy wypreparowane przez przyrodę. Jeśli uda się znaleść to są one zwietrzałe i nieprzydatne do badań.

Paleontolodzy posługują się tu trzema głównymi metodami preparacji.

Pierwsza polega na mechanicznym usunięciu skały za pomocą dłuta i młotka, lub precyzyjniej, za pomocą narzędzi dentystycznych. Jest to metoda najbardziej ryzykowna, ponieważ kości plakodermów są zazwyczaj bardziej miękkie niż skała i odpryskują wraz z nią. Stosuje się ją w zasadzie tylko w przypadku kości zachowanych w skałach okruchowych takich jak piaskowce, gdzie niemożliwe jest zastosowanie innych metod preparacji. Metoda druga, możliwa do zastosowania wyłącznie w przypadku pustek po kościach, polega na wypełnieniu takiej pustki tworzywem, np. gumą lateksową. Z początku płynna, wypełnia ona szczelnie całą pustkę, a twardniejąc wiernie odzwierciedla kształt zewnętrzny. Metoda trzecia, stosowana najczęściej przez badaczy plakodermów, to wytrawianie w kwasie octowym lub mrówkowym. Większość znajdowanych skamieniałości plakodermów występuje w skałach węglanowych takich jak wapienie zbudowanych z węglanu wapnia (CaCO3). Kości ryb pancernych zbudowane są z fosforanu wapnia i dodatkowo są przesycone substancjami organicznymi. Kwas octowy jest agresywny w stosunku do węglanu wapnia, czyli skały, i rozpuszcza ją pozostawiając nienaruszone kości, bardziej odporne na działanie słabych kwasów. W dużym uproszczeniu może to sprawiać wrażenie, że można wrzucić skałę do kwasu i wyciągnąć wypreparowaną kość. Jednak w rzeczywistości jest to żmudna, trwająca nieraz wiele miesięcy praca. Polega ona na wielokrotnym trawieniu i konserwowaniu świeżo wytrawionych kolejnych milimetrów kości. Praca taka daje jednak doskonałe rezultaty. W ten sposób wydobyto wiele trójwymiarowo zachowanych szkieletów.

Ta metoda znalazła też swoje zastosowanie w badaniach skamieniałości ryb pancernych z Gór Świętokrzyskich.

Skamieniałości ryb pancernych znane są z terenu Polski tylko z Gór Świętokrzyskich. Skały osadowe dewonu w których występują odsłaniają się na tym obszarze na dużej powierzchni i stanowią stosunkowo łatwo dostępny obiekt badań. Największą ilość skamieniałości plakodermów znaleziono w utworach górnodewońskich. To skamieniałości z tej części profilu dewonu mają w Górach Świętokrzyskich największe znaczenie. Spośród wszystkich stanowisk, w których można znaleźć szczątki plakodermów (głównie w rejonie miasta Kielce), szczególne miejsce zajmuje odsłonięcie we wsi Płucki koło Łagowa (około 40 km na E od Kielc). (Geologia w Płuckach, Łagów – admin) Na pierwszy rzut oka miejsce to wygląda bardzo niepozornie: niewielkie wcięcie w zboczu doliny rzeki Łagowicy przypominające bardziej wkop pod fundamenty małego domu. Wkop ten został jednak wykonany aby udostępnić paleontologom do badań profil warstw skalnych tworzących się w czasie późnego dewonu (ok. 380-375 miliony lat temu) oraz umożliwić zebranie licznych skamieniałości (ramka: zdjęcie odsłonięcia, profil). Występowanie skamieniałości w tym miejscu wiąże się niemal wyłącznie z warstwą ciemnego wapienia zwanego górnym wapieniem Kellwasser. Dokładne datowanie wykazało charakter graniczny pomiędzy dwoma piętrami dewońskimi, franem i famenem, i wiekowo odpowiada jednemu z największych kryzysów jaki dotknął życie na Ziemi.

Wydarzenia jakie miały miejsce w czasie gdy tworzyły się skały odsłonięte pod Łagowem polegały na spadku bioróżnorodności organizmów rafowych i noszą nazwę wielkiego wymierania.

Przyczyn tego wymierania było zapewne wiele, a jedną z nich mogło być zlodowacenie na półkuli południowej i obniżenie się poziomu oceanu światowego. Ten spadek bioróżnorodności nie jest dobrze widoczny w stanowisku pod Łagowem. Powodem może być to, że było tu wówczas zbyt głęboko i nie żyły tu organizmy związane bezpośrednio z rafami. Rejon Łagowa w czasie późnego dewonu był położony kilkadziesiąt metrów pod poziomem ciepłego międzyzwrotnikowego morza, nieopodal resztek rafy znajdującej się w rejonie dzisiejszych Kielc. Dno morza było równe i płaskie nieznacznie nachylone ku wschodowi. Dość często, podczas sztormów lub trzęsień ziemi, dochodziły w ten rejon prądy zawiesinowe przynoszące materiał węglanowy z zachodu. Podczas takich zdarzeń wszystko co znajdowało się na dnie było pokrywane mułem węglanowym, który po milionach lat utworzył wapień. Dno zbiornika było słabo zasiedlone. Powodem była stosunkowo duża głębokość i stała lub okresowa anoksja, czyli pojawiające się warunki beztlenowe. Efektem jest znaczna przewaga skamieniałości organizmów, które prowadziły nektoniczny lub planktoniczny tryb życia i które opadły na dno dopiero po śmierci. Jest to najlepsza sytuacja jaką może sobie wymarzyć paleontolog. Zwierzę opada na dno w środowisko beztlenowe, a więc pozbawione padlinożerców, i nie ulega natychmiastowemu rozkładowi. Dodatkowo prąd zawiesinowy doprowadza do szybkiego przykrycia szczątków warstwą mułu węglanowego.

Z taką sytuacją mieliśmy do czynienia podczas tworzenia się warstwy ciemnego wapienia z Płucek.

Niezwykle bogaty zespół skamieniałości występujących we wspomnianej warstwie wapienia. Obejmuje następujące grupy zwierząt: głowonogi, ramienionogi, małże, małżoraczki, trylobity, ślimaki, konodonty, rekiny oraz ryby pancerne. Spośród całego zespołu najbardziej spektakularnych skamieniałości dostarczyły ryby pancerne. Historia znajomości tego stanowiska przez geologów jest dość długa. Znalezione w magazynie Państwowego Instytutu Geologicznego w Warszawie próby zebrane przez Jana Czarnockiego w latach ’20 XX wieku zawierają kawałki tego bardzo charakterystycznego wapienia. Późniejsze dane mają charakter publikacji naukowych i są autorstwa polskich geologów i paleontologów m in. Henryka Makowskiego, Michała Szulczewskiego, Jerzego Dzika, Grzegorza Rackiego i Michała Gintera. Dotyczyły różnych zagadnień geologicznych i paleobiologicznych. Impulsem do przeprowadzenia systematycznych poszukiwań a później dużych wykopalisk było opisanie w 1997 roku przez Alexandra Ivanova i Michała Gintera fragmentu czaszki małego drapieżnego artrodira z rodzaju Eastmanosteus. Kolejne lata zaowocowały regularnymi poszukiwaniami i przyniosły nowe coraz ciekawsze odkrycia, do których należały szczątki jednego z największych w skali światowej plakodermów, którego długość głowy szacuję na 0,7 m.

Szczątki tego olbrzyma należą do przedstawiciela rodzaju Dunkleosteus i obejmują jedynie jedną z tarcz budujących tylną część głowy, tarczę policzkową oraz niewielki fragment szczęki, jednak wspólnie ważą one 20 kg.

Do mniejszych, ale równie cennych dla nauki należy okaz niemal kompletnie zachowanej głowy niewielkiego plakoderma z rodzaju Pachyosteus. Takiego samego jak w niemieckim równowiekowym profilu w stanowisku Bad Wildungen oraz parę fragmentów czaszek rodzaju Eastmanosteus, wykazujących podobieństwo do okazów z formacji Gogo w NW Australii. Ciekawostką było odkrycie szczątków szkieletu wewnętrznego plakodermów do których należy kapsuła nosowa, fragment kości łopatkowo-kruczej (scapulocoracoideum) oraz elementów kręgosłupa – elementów dotychczas słabo poznanych z materiału polskiego.

Bardzo ważne było stwierdzenie wśród skamieniałości z Płucek dobrze zachowanych szczęk niewielkich zaawansowanych plakodermów z rodzaju Eastmanosteus.

Wydobyte wraz z otaczającą skałą zostały następnie wypreparowane metodą trawienia w kwasie octowym. Ujawniły szczegóły anatomiczne pozwalające zabrać głos w dyskusji na temat pochodzenia zębów i próby odpowiedzi na pytanie czy plakodermy mogły mieć zęby. W ostatnich latach wysunięto teorię mówiącą, że niektóre plakodermy (rząd Arthrodira) wykształciły struktury zębowe o budowie pozwalającej je uznać za prawdziwe zęby. To pozostaje w sprzeczności z dotychczas obowiązującym poglądem. Teoria ta została wysunięta na podstawie analizy szczęk z doskonale zachowanych okazów z Gogo w Australii. Została jednak skrytykowana przez większość naukowców. Analiza równie dobrze zachowanych i podobnych wiekowo i taksonomicznie okazów z Płucek pokazała brak podobieństw wyrostków zębopodobnych do jakichkolwiek znanych prawdziwych zębów u wyższych szczękowców. Chcąc porównać skamieniałości z Płucek z dotychczas opisanymi miejscami należy wziąć pod uwagę skład taksonomiczny ryb oraz stan ich zachowania. Składem taksonomicznym Płucki upodabniają się najbardziej do wspomnianego stanowiska w Reńskich Górach Łupkowych – Bad Wildungen. Podobieństwo to jest tu jak najbardziej oczekiwane: ten sam wiek, podobne środowisko i dodatkowo niewielka odległość jaka dzieliła oba miejsca w późnym dewonie.

Miejscem które przyniosło największą na świecie ilość doskonale zachowanych skamieniałości późnodewońskiech kręgowców (w tym plakodermów) jest Gogo w NW Australii.

Znaleziono tam setki konkrecji w formie buł wapiennych. Były one rozpuszczane ujawniając mniej lub bardziej kompletne szczątki szkieletów, dające wyobrażenie o wielu cechach, pochodzących z różnych kości, co do których jest pewność że należą do tego samego osobnika. Należy w tym miejscu zaznaczyć że w większości przypadków zachowują się izolowane pojedyncze elementy. Efektem było nieraz opisanie nowego gatunku np. na podstawie jednej tylko tarczy. Dotychczas w Płuckach znaleziono jeden okaz, który do złudzenia przypominał te znajdowane w Australii. Była to buła wapienna z której dokoła wystawały fragmenty kości. Okaz został zatem poddany procedurze preparacji takiej jaką stosowano na okazach australijskich. Elementy które wystawały ze skały zostały zabezpieczone cyjanopanem, a następnie cały okaz trafił do 10% roztworu gotującego się kwasu octowego. Po dwóch dniach okaz został poddany oględzinom a nowoodsłonięte elementy zostały zabezpieczone i… znów do kwasu.

Taki proces jest powtarzany od miesięcy,

a w tym czasie udało się odsłonić wiele kości budujących czaszkę i pancerz tułowia. Skamieniałości reprezentują nienazwany jeszcze gatunek rodzaju Eastmanosteus. Podobny do znanego z Gogo Eastmanosteus calliaspis. Różnice pomiędzy Gogo i Płuckami pozostają duże. W dewonie oba stanowiska znajdowały się bardzo daleko od siebie w obrębie dwóch różnych mas kontynentalnych (patrz mapa). Reprezentują też odmienny sposób wykształcenia profilu skalnego. Dodatkową różnicą i to uderzającą jest dużo większa liczba stwierdzonych gatunków (nie tylko plakodermów) z Gogo. Jednak należy pamiętać że Gogo to obszar setek kilometrów kwadratowych penetrowanych pod kątem skamieniałości kręgowców od kilkudziesięciu lat. Odsłonięcie w Płuckach dopiero trzy lata temu osiągnęło największą w swej historii powierzchnię około 100 m2. Daje to jednak duże nadzieje na przyszłość. Eksploracja stanowiska w Płuckach nie została zakończona, a kolejne sezony wykopalisk przynoszą nowe zaskakujące odkrycia.”

Geologia Płucki. Geologia Łagów. Geologia świętokrzyska – admin.