ซากดึกดำบรรพ์

ซากดึกดำบรรพ์ หรือ ฟอสซิล (อังกฤษ: fossil) คำว่า ฟอสซิล มีความหมายเดิมว่า เป็นของแปลกที่ขุดขึ้นมาได้จากพื้นดิน แต่ในปัจจุบันถูกนำมาใช้ในความหมายของซากหรือร่องรอยของสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์ที่ถูกแปรสภาพด้วยกระบวนการเกิดซากดึกดำบรรพ์และถูกเก็บรักษาไว้ในชั้นหิน โดยอาจประกอบไปด้วยซากเหลือของสัตว์ พืช หรือกลุ่มของสิ่งมีชีวิตอื่นใด ๆ ที่ได้รับการจัดแบ่งจำแนกไว้ทางชีววิทยา และรวมถึงร่องรอยต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตนั้น ๆ

ซากดึกดำบรรพ์กระต่ายโบราณสกุล *Palaeolagus* อายุ 33.9 ล้านปี พบในรัฐไวโอมิง สหรัฐ

ซากดึกดำบรรพ์มีหลายชนิด อาจเป็นสิ่งที่มีความคงทนยากต่อการทำลาย เช่น ฟัน กระดูก หรือ เปลือก แต่ในบางสภาวะ อาจมีการเก็บรักษาซากสัตว์ทั้งตัวให้คงอยู่ได้ เช่น ช้างแมมมอธ ที่ไซบีเรีย

การเปลี่ยนแปลงจากซากสิ่งมีชีวิตมาเป็นซากดึกดำบรรพ์นั้น เกิดได้ในหลายลักษณะ โดยที่เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง ส่วนต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตจะค่อย ๆ ถูกเปลี่ยน ช่องว่าง โพรง หรือรูต่าง ๆ ในโครงสร้างอาจมีแร่เข้าไปตกผลึกทำให้แข็งขึ้น เรียกกระบวนการนี้ว่าการกลายเป็นหิน (petrification) หรือ เนื้อเยื่อ ผนังเซลล์ และส่วนแข็งอื่น ๆ ถูกแทนที่ด้วยแร่ โดยกระบวนการแทนที่ (replacement)

เปลือกหอยหรือสิ่งมีชีวิตที่จมอยู่ตามชั้นตะกอน เมื่อถูกละลายไปกับน้ำบาดาล จะเกิดเป็นรอยประทับอยู่บนชั้นตะกอน ซึ่งเรียกลักษณะนี้ว่า รอยพิมพ์ (mold) หากว่าช่องว่างนี้มีแร่เข้าไปตกผลึก จะได้ซากดึกดำบรรพ์ ในลักษณะที่เรียกว่ารูปหล่อ (cast)

การเพิ่มคาร์บอน (carbonization) มักเป็นการเก็บรักษาซากดึกดำบรรพ์จำพวกใบไม้หรือสัตว์เล็ก ๆ ในลักษณะที่มีตะกอนเนื้อละเอียดมาปิดทับซากสิ่งมีชีวิต เมื่อเวลาผ่านไป ความดันที่เพิ่มขึ้น ทำให้ส่วนประกอบที่เป็นของเหลวและก๊าซถูกขับออกไป เหลือไว้แต่แผ่นฟิล์มบาง ๆ ของคาร์บอน หากว่าฟิล์มบาง ๆ นี้หลุดหายไป ร่องรอยที่ยังหลงเหลืออยู่ในชั้นตะกอนเนื้อละเอียดจะเรียกว่า impression

สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่มีลักษณะบอบบาง เช่นพวกแมลง การเก็บรักษาให้กลายเป็นซากดึกดำบรรพ์ โดยปกติทำได้ยาก วิธีการที่เหมาะสม สำหรับสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ ก็คือการเก็บไว้ในยางไม้ ซึ่งยางไม้นี้จะป้องกันสิ่งมีชีวิตเหล่านี้จากการทำลายโดยธรรมชาติ

นอกจากที่กล่าวมาทั้งหมดแล้ว ซากดึกดำบรรพ์ยังอาจเป็นร่องรอย ที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต เช่น ร่องรอยของสิ่งมีชีวิต รอยคืบคลาน รอยตีน ที่อยู่ในชั้นตะกอนและกลายเป็นหินในระยะเวลาต่อมา หรืออาจเป็นช่อง รู โพรง (burrows) ในชั้นตะกอน ในเนื้อไม้ หรือในหินที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต และมีแร่ไปตกผลึกในช่องเหล่านี้ มูลสัตว์หรือเศษอาหารที่อยู่ในกระเพาะ (coprolites) เป็นซากดึกดำบรรพ์ ที่มีประโยชน์ในการบอกถึงนิสัยการกินของสัตว์นั้น ๆ หรืออาจเป็นก้อนหินที่สัตว์กินเข้าไป (gastroliths) เพื่อช่วยในการย่อยอาหาร และสามารถเป็นแบบอย่างได้

ซากดึกดำบรรพ์สามารถจำแนกออกเป็นประเภทต่าง ๆ ได้หลายลักษณะ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าจะใช้หลักเกณฑ์อะไรเป็นบรรทัดฐาน การพยายามจำแนกตามหลักอนุกรมวิธานตามแบบชีววิทยา อาจพบกับข้อจำกัด เนื่องจากส่วนใหญ่แล้วซากดึกดำบรรพ์มักเป็นส่วนซากเหลือจากการผุพังสลายตัว ส่วนใหญ่เป็นส่วนที่แข็ง มีความทนทานต่อการผุพังสลายตัวสูงกว่าส่วนที่เป็นเนื้อเยื่ออ่อนนุ่ม เช่น กระดูก ฟัน กระดอง เปลือก และสารเซลลูโลสของพืชบางส่วน อย่างไรก็ตาม เพื่อให้สอดคล้องกับประเภทนักวิจัยซากดึกดำบรรพ์ (นักบรรพชีวินวิทยา) ในปัจจุบัน ในที่นี้จะจำแนกซากดึกดำบรรพ์ออกเป็น 3 ประเภท คือ

ซากดึกดำบรรพ์สัตว์
- ซากดึกดำบรรพ์สัตว์มีกระดูกสันหลัง
- ซากดึกดำบรรพ์สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง
ซากดึกดำบรรพ์พืช
- ซากดึกดำบรรพ์ไม้กลายเป็นหิน
- ซากดึกดำบรรพ์ใบไม้
- ซากดึกดำบรรพ์ดอก
- ซากดึกดำบรรพ์ทางเรณูวิทยา
- ซากดึกดำบรรพ์ผลไม้
- ซากดึกดำบรรพ์เมล็ด
ซากดึกดำบรรพ์ร่องรอย

เมื่อศึกษาจำนวนซากดึกดำบรรพ์ที่พบได้ พบว่ามีปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณสิ่งมีชีวิตทั้งหลายที่เคยมีชีวิตอยู่ในโลก ซากสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ถูกทำลายไปตามธรรมชาติ ดังนั้นการเก็บรักษาซากสิ่งมีชีวิตจนกระทั่งกลายเป็นซากดึกดำบรรพ์ จึงมีความจำเป็นที่จะต้องมีสภาวะที่พิเศษ ซึ่งได้แก่ การตกลงตัวและถูกเก็บรักษาไว้อย่างรวดเร็ว เพื่อเป็นการป้องกันการถูกทำลายจากธรรมชาติ และ การที่ต้องมีส่วนที่แข็งของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเป็นส่วนที่ถูกเก็บรักษาได้ง่ายกว่าส่วนที่นิ่ม

ซากดึกดำบรรพ์ที่พบในหิน มีความสำคัญอย่างมาก มันแสดงให้เห็นถึงวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ ใช้เป็นตัวกำหนดอายุของหิน และนำมาใช้เป็นหลักฐานในการหาความสัมพันธ์ของชั้นหินในบริเวณต่าง ๆ สิ่งที่นักธรณีวิทยาสนใจเป็นพิเศษ เกี่ยวกับการนำซากดึกดำบรรพ์ มาเป็นตัวกำหนดอายุของหิน คือ ซากดึกดำบรรพ์ดัชนี (index fossils) ซึ่งเป็นซากของสิ่งมีชีวิตที่เคยมีชีวิตอยู่ในโลก มีการแพร่กระจายอยู่ทั่วไป แต่มีชีวิตอยู่ในช่วงสั้น ๆ ซึ่งการที่พบซากดึกดำบรรพ์ดรรชนีในชั้นหินต่างบริเวณกัน นักธรณีวิทยาสามารถกำหนดได้ว่าหินที่พบซากดึกดำบรรพ์ดรรชนีเหล่านั้นมีอายุในช่วงเดียวกัน แต่อย่างไรก็ดี ในชั้นหินต่าง ๆ อาจพบซากดึกดำบรรพ์ดรรชนีได้ยาก ดังนั้นอาจจำเป็นต้องใช้กลุ่มของซากดึกดำบรรพ์ ในการหาความสัมพันธ์ของชั้นหินในบริเวณต่าง ๆ ซึ่งจะมีความแม่นยำกว่าการใช้ซากดึกดำบรรพ์เพียงชนิดเดียว

นอกจากประโยชน์ที่ใช้ในการหาความสัมพันธ์ของชั้นหินแล้ว ซากดึกดำบรรพ์ยังถูกนำมาใช้ในการบอกถึงสภาพแวดล้อมของการสะสมตัวของตะกอนด้วย ถึงแม้ว่าสภาพแวดล้อมการสะสมตัวอาจได้จากการศึกษารายละเอียดจากชั้นหิน แต่ซากดึกดำบรรพ์อาจให้รายละเอียดที่มากกว่า

การบอกอายุของซากดึกดำบรรพ์ สามารถบอกได้ 2 แบบคือ

อายุเปรียบเทียบ

อายุเปรียบเทียบ (อังกฤษ: relative age) คืออายุทางธรณีวิทยาของซากดึกดำบรรพ์ หิน ลักษณะทางธรณีวิทยา หรือเหตุการณ์ทางธรณีวิทยา เมื่อเปรียบเทียบกับซากดึกดำบรรพ์ หิน ลักษณะทางธรณีวิทยา หรือเหตุการณ์ทางธรณีวิทยาอื่น ๆ แทนที่จะบ่งบอกเป็นจำนวนปี ดังนั้นการบอกอายุของหินแบบนี้จึงบอกได้แต่เพียงว่าอายุแก่กว่าหรืออ่อนกว่าหิน หรือซากดึกดำบรรพ์ อีกชุดหนึ่งเท่านั้น โดยอาศัยตำแหน่งการวางตัวของหินตะกอนเป็นตัวบ่งบอก (Index fossil) เป็นส่วนใหญ่ เพราะชั้นหินตะกอนแต่ละขั้นจะต้องใช้ระยะเวลาช่วงหนึ่งที่จะเกิดการทับถม เมื่อสามารถเรียงลำดับของหินตะกอนแต่ละชุดตามลำดับก็จะสามารถหาเวลาเปรียบเทียบได้ และจะต้องใช้หลักวิชาการทางธรณีวิทยา (Stratigraphy) ประกอบด้วย

การศึกษาเวลาเปรียบเทียบโดยอาศัยหลักความจริง มี อยู่ 3 ข้อคือ

1. กฎการวางตัวซ้อนกันของชั้นหินตะกอน (Law of superposition) ถ้าหินตะกอนชุดหนึ่งไม่ถูกพลิกกลับโดยปรากฏการณ์ทางธรรมชาติแล้ว ส่วนบนสุดของหินชุดนี้จะอายุอ่อนหรือน้อยที่สุด และส่วนล่างสุดจะมีอายุแก่หรือมากกว่าเสมอ

2. กฎของความสัมพันธ์ในการตัดผ่านชั้นหิน (Law of cross-cutting relationship) หินที่ตัดผ่านเข้ามาในหินข้างเคียงจะมีอายุน้อยกว่าหินที่ถูกตัดเข้ามา

3. การเปรียบเทียบของหินตะกอน (correlation of sedimentary rock) ศึกษาเปรียบเทียบหินตะกอนในบริเวณที่ต่างกันโดยอาศัย

ก. ใช้ลักษณะทางกายภาพโดยอาศัยคีย์เบด (key bed) ซึ่งเป็นชั้นหินที่มีลักษณะเด่นเฉพาะตัวของมันเอง และถ้าพบที่ไหนจะต้องสามารถบ่งบอกจดจำได้อย่างถูกต้องถึงว่าชั้นหินที่วางตัวอยู่ข้างบนและข้างล่างของคีย์เบดจะมีลักษณะแตกต่างกันออกไปในแต่ละบริเวณด้วย

ข. เปรียบเทียบโดยใช้ซากดึกดำบรรพ์ (correlation by fossil) มีหลักเกณฑ์คือ ในชั้นหินใด ๆ ถ้ามีซากดึกดำบรรพ์ที่เหมือนหรือคล้ายคลึงกันเกิดอยู่ในตัวของมันแล้ว ชั้นหินนั้น ๆ ย่อมมีอายุหรือช่วงระยะเวลาที่เกิด ใกล้เคียงกับซากดึกดำบรรพ์ที่สามารถใช้เปรียบเทียบได้ดี เป็นช่วงระยะเวลาสั้น ๆ แต่เกิดอยู่กระจัดกระจายเป็นบริเวณกว้างขวางมากที่สุด ฟอสซิลเหล่านี้เรียกว่า ไกด์ฟอสซิลหรือ อินเด็กฟอสซิล (guide or index fossil)

อายุสัมบูรณ์

อายุสัมบูรณ์ (อังกฤษ: absolute age) หมายถึงอายุซากดึกดำบรรพ์ของหิน ลักษณะหรือเหตุการณ์ทางธรณีวิทยา (โดยมากวัดเป็นปี เช่น พันปี ล้านปี) โดยทั่วไปหมายถึงอายุที่คำนวณหาได้จากไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสี ขึ้นอยู่กับวิธีการและช่วงเวลาครึ่งชีวิต (Half life period) ของธาตุนั้น ๆ เช่น C-14 มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 5,730 ปี จะใช้กับหินหรือ fossil โบราณคดี ที่มีอายุไม่เกิน 50,000 ปี ส่วน U-238 หรือ K-40 จะใช้หินที่มีอายุมาก ๆ ซึ่งมีวิธีการที่สลับซับซ้อน ใช้ทุนสูง และแร่ที่มีปริมาณรังสีมีปริมาณน้อยมาก วิธีการนี้เรียกว่า การตรวจหาอายุจากสารกัมมันตภาพรังสี (radiometric age dating) การใช้ธาตุกัมมันตรังสีเพื่อหาอายุหิน หรือ ฟอสซิล นั้น ใช้หลักการสำคัญคือการเปรียบเทียบอัตราส่วนของธาตุกัมมันตรังสีที่เหลืออยู่ (End product) ที่เกิดขึ้นกับไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีตั้งต้น (Parent isotope) แล้วคำนวณโดยใช้เวลาครึ่งชีวิตมาช่วยด้วยก็จะได้อายุของชั้นหิน หรือ ซากดึกดำบรรพ์ นั้น ๆ เช่น

วิธีการ Uranium 238 - Lead 206 วิธีการ Uranium 235 - Lead 207

วิธีการ Potassium 40 - Argon 206 วิธีการ Rubidium 87- Strontium 87

วิธีการ Carbon 14 - Nitrogen 14

การหาอายุโดยใช้ธาตุกัมมันตรังสีมีประโยชน์ 2 ประการคือ

1. ช่วยในการกำหนดอายุที่แน่นอนหลังจากการใช้ fossil และ Stratigrapy แล้ว

2. ช่วยบอกอายุหรือเรื่องราวของยุคสมัย พรีแคมเบียน

ammonite ฟอสซิลจำนวน 3 ชิ้น, แต่ละชิ้นความกว้างประมาณ 1.5 ซม.
Eocene ฟอสซิลปลา Priscacara liops จาก Green River Formation ของ Wyoming
trilobite, Asaphus kowalewskii
Megalodon และ Carcharodontosaurus teeth. The latter was found in the Sahara Desert.
ฟอสซิล shrimp (Cretaceous)
Petrified wood in Petrified Forest National Park, Arizona
Petrified cone of Araucaria mirabilis from Patagonia, Argentina dating from the ยุคจูราสสิค (approx. 210 Ma)
ฟอสซิล gastropod จาก Pliocene ของ ไซปรัส. serpulid worm ติดอยู่
Silurian Orthoceras ฟอสซิล
Eocene ดอกไม้ฟอสซิลจากฟลอริแซนท์, โคโรลาโด
Micraster echinoid ฟอสซิลจากอังกฤษ
Productid brachiopod ventral valve; Roadian, Guadalupian (Middle Permian); Glass Mountains, เท็กซัส
Agatized ปะการัง จาก กลุ่มฮอร์ธอน (Oligocene–Miocene), ฟลอริดา. An example of preservation by replacement.
ฟอสซิลจากชายหาดของ ทะเลบอลติก บนเกาะของ กอตแลนด์, วางบนกระดาษสี่เหลี่ยม 7 มม. (0.28 นิ้ว)