Paleontologia

Paleontologia

Prof. Benazzi 3 ottobre 2014

Fossili e metodi di datazione

La paleontologia è lo studio delle forme di vita del passato, cioè i fossili, resti di forme di vita estinte, in modo tale da ricostruire la vita della Terra. Non esaurendosi, queste forme di vita mostrano quali esemplari erano presenti milioni di anni fa. Questi si riproducono attraverso la disgregazione di rocce che, attraverso questi sedimenti, conservano i fossili. I fossili permettono lo studio dell'evoluzione, di calcolare l'età geologica della Terra, permettono di ricostruire il clima, la geologia di un determinato territorio, così come gli spostamenti delle placche tettoniche.

I fossili possono essere di vari tipi: piante, gusci di animali, qualsiasi corpo di un organismo, il negativo di un'impronta di animale, di una foglia, una tana, o le tracce stesse dell'organismo lasciate mentre si muoveva o si riposava. Un organismo che diventa fossile è molto raro: quasi il 5% riesce ad effettuare questo processo. La fossilizzazione comprende una rapida sepoltura dell'organismo, dove rimane fino alla scoperta.

Fattori che influenzano la fossilizzazione

I fattori negativi che influenzano la fossilizzazione includono le caratteristiche fisiche dell'organismo (più è piccolo meno ha possibilità di divenire fossile), presenza di batteri (che distruggono l'organismo), il pH, l'acidità dell'ambiente circostante; carnivori quali i cosiddetti 'spazzini' che mangiano l'organismo. Fattori positivi: robustezza dell'organismo, del suo scheletro; ambiente marino che favorisce la fossilizzazione perché non vi è la presenza di carnivori; mancanza di ossigeno che uccide i batteri.

Altre condizioni che promuovono la fossilizzazione sono l'ambiente marino, la mancanza di ossigeno e quindi di batteri, oltre che la rapida sepoltura dell'organismo, sepolto da sedimenti ovviamente.

Parti dei fossili e composizione

Le parti dure del corpo dell'organismo, quali scheletro o conchiglia, sono composte da carbonato di calcio CaCO₃, aragonite e calcite, così come la silice SiO₂, che si trasforma in quarzo divenendo molto resistente. Lo scheletro è composto da apatite, tipica delle ossa, dei denti e di alcune conchiglie: è molto resistente, lo smalto dei denti avendone in grande quantità è il tessuto più resistente. Nonostante la durezza, è molto fragile, se cade si distrugge.

Metodi di fossilizzazione

• Non vengono alterate le componenti organiche, l'organismo mantiene quindi i suoi tessuti
• Alterazione della struttura cristallina dell'organismo, o cambiamento della materia stessa, che porta ad un'alterazione. Il ghiaccio infatti preserva ottimalmente la forma fossile, perché la componente organica non viene alterata
• Fossilizzazione in Ambra, tipica nelle parti del nord del Baltico, nelle sue spiagge (gli insetti sono i soggetti più interessati a questa fossilizzazione)
• Fossilizzazione nel bitume possono conservarsi al meglio gli organismi, perché vengono conservati i tessuti organici dell'individuo; spesso però i tessuti duri vengono distrutti, mentre quelli morbidi si conservano, quindi quelli organici

In altri ambienti vengono alterate le componenti dell'organismo, caso più probabile:

• Cristallizzazione (danneggia la struttura cristallina ad esempio delle conchiglie)
• Pietrificazione (le lacune dei tessuti si possono riempire di minerali, le parti porose del corpo in pratica; questi minerali si trovano all'interno dell'acqua)
• Cambiamento del materiale (totale o parziale, vengono sostituiti i tessuti inorganici; questo cambiamento avviene in base alla tipologia di sostituzione: silicificazione, piritizzazione, fosfatizzazione)
• Carbonizzazione (avviene quando il resto organico è sepolto ad una certa profondità dal sedimento, perché l'organismo si riscalda avvicinandosi al centro della terra, mantenendo così solo la componente del carbonio, non essendo una molecola volatile)

Stratigrafia

Il terreno, le rocce sedimentarie, si depositano a strati, come in Archeologia. Fu Steno a mettere le basi su questi concetti: principio della superposizione (prevede che lo strato che si trova sotto sia più antico dello strato sottostante; quindi ci si ricollega alla contestualizzazione); principio dell'orizzontalità; principio della continuità laterale (presenza di un altro evento, quale la presenza di un fiume, ecc).

Hutton e Lyell formularono in successione altri principi: se vi è una zolla deposta all'interno di altri strati, ma è evidente la fossa, questo strato sarà più recente di quelli che lo contengono.

Alcuni fossili possono essere considerati come 'fossili guida' per determinare l'età degli altri: se questo è più antico rispetto ad altri, possiamo avere un'idea dell'età dello strato e degli altri resti presenti. Quindi, se siamo in parti diverse del mondo e avendo come guida certi fossili più o meno antichi, possiamo datare anche quei fossili più difficili da decifrare (come nel caso della zona Africana, dove è difficile datare direttamente i fossili presenti). I fossili che si prestano a questo sono caratteristici di un determinato periodo: denti di suini per quanto riguarda l'evoluzione umana, perché bene si conosce l'evoluzione del suino; ecc.

Successione degli eventi dalla formazione della Terra

Scala dei tempi geologici divisa in quattro intervalli: Eoni, suddivisi a loro volta in:

• Ere
• Periodi, al cui interno troviamo le Epoche

Era Precambriana

Primo Eone, periodo che va dai 4 miliardi e mezzo a 541 milioni di anni; non si conoscevano molte forme di vita in questo periodo, le terre erano spostate verso il polo sud; in questo momento abbiamo l'esplosione della vita, i continenti sono sempre spostati verso sud; Si formano molluschi, organismi caratterizzati da un guscio esterno.

Era Paleozoica

• Ordoviciano: periodo che va da 500 a 425 milioni di anni fa; abbiamo un super continente a sud, chiamato Gondwanalandia; altre zone si spostano verso il centro, ma non abbiamo una vera e propria separazione; compaiono i primi pesci e piante, varie forme di vita.
• Siluriano: territori si spostano a nord, le attuali Scozia, Irlanda, Nord America; abbiamo un recupero della vita, dopo periodi di estinzioni di massa, con fauna di invertebrati e i cosiddetti pesci senza mandibola.
• Devoniano: 416-359; abbiamo due grandi masse continentali; è il periodo dei pesci, si sviluppano alberi, foreste, piante, compaiono insetti, ragni, che iniziano a popolare le terre emerse.
• Carbonifero: si sviluppano le foreste, vi sarà la presenza di uova con siero amniotico, cosa che permette lo sviluppo dei rettili anche sulla terra emersa (prima di sviluppavano solo nelle acqua, permise lo sviluppo dei dinosauri).
• Permiano: si sviluppa la Pangea, cioè i continenti si stanzionano in un'unica forma; avremo un'estensione di massa dei rettili.

Era Mezozoica

• Triassico: evoluzione dei rettili rimasti dei famosi dinosauri; siamo nell'era Mezozoica; compaiono i primi rettili volanti, i primi mammiferi quali topi o esseri più piccoli.
• Giurassico: vedremo una prima configurazione attuale dei continenti, l'India si muoverà verso l'Asia, l'Africa si staccherà dall'Europa; età d'oro dei dinosauri, compaiono i primi uccelli che derivano dai rettili.
• Cretaceo: finisce il periodo Mezozoico; 146-66; abbiamo ancora spostamenti dei continenti; alla fine di questo periodo abbiamo l'estinzione di massa dei dinosauri; compaiono le piante da fiori, compaiono le prime forme di primati (assomigliavano ai topi).

Era Cenozoica

• Paleogene: continua la deriva dei continenti; 66-23; abbiamo lo sviluppo dei mammiferi, dopo la scomparsa dei dinosauri; compaiono le prime e vere forme di vita umana.
• Neogene: 23-2.6 milioni; in questa fase continua la deriva dei continenti, molto simili a come li vediamo adesso; si formano le grandi catene montuose quali le Alpi, l'Himalaya, ecc; si evolvono i predatori, che si differenziano con gli altri mammiferi; prime forme di ominidi.
• Quaternario: 2.6 milioni e continua ancora oggi; è caratterizzato dallo sviluppo dell'uomo; si sviluppa la mega fauna, mammiferi di grandi dimensioni (mammut, rinoceronti, bisonti); compare in Africa l'uomo.

Datazione del fossile

Le tecniche di datazione possono essere suddivise in due categorie principali:

• Tecniche di datazione relative: definiscono quello che viene prima rispetto a quello che viene dopo (successione lineare): abbiamo la stratigrafia o litostratigrafia, biostratigrafia metodi chimici quali la Florina (che viene assorbita dall'organismo in base al tempo in cui sta sotto al sedimento; due fossili con stesso livello di Florina sono coetanei, se hanno diverso livello di Florina allora questi fossili hanno età diverse); abbiamo anche il polomagnetismo come metodo relativo (durante la storia della terra vi sono state inversioni del campo magnetico; durante le eruzioni vulcaniche, la lava si raffredda in base al campo magnetico, e quindi grazie a questo gioco si può dare un'età relativa al sedimento in questione).
• Tecniche di datazione assoluta: ci esprimono l'età esatta della roccia o del fossile: la radioattività venne scoperta alla fine del 1800, e si basa su elementi ed atomi, che identificano che tipo di elemento abbiamo (importante è anche il peso atomico, che identifica la caratteristica dell'elemento, stabile o mosso dagli isotopi, per poi ritornare alla forma stabile: sfruttiamo proprio il principio di decadimento per questo calcolo, che può essere di diversi tipi; da una forma instabile si passa sempre ad una forma stabile, secondo un tempo noto, per questo riusciamo a sfruttare questo metodo per effettuare questi calcoli, diverso quindi sarà il tempo di dimezzamento. Esempio: potassio-40 che si trasforma in argon-40, che nella sua forma instabile cambia sia i protoni che i neutroni, in un tempo di 1.3 miliardi di anni. Questo metodo è utilizzato per le rocce vulcaniche; quando la roccia si raffredda inizia il conteggio; questo metodo è utilizzato in Sud Africa); altro metodo è con le tracce di fissione, metodo radioattivo in cui i neutroni provocano delle fissioni dell'uranio-238 nella roccia (tempo di fissione corrisponde all'età della Terra; l'uranio decade con vari step intermedi, cambia quindi sia in pochi giorni, così come in pochi minuti o in milioni di anni; questo metodo viene usato senza considerare questi passaggi intermedi; viene usato per misurare stalagmiti e stalattiti nelle grotte); altro metodo è il carbonio-14, che si basa sul decadimento di questo elemento, si trasforma il carbonio-13 e poi carbonio-12 in tot anni (i raggi cosmici, colpendo il carbonio, lo trasformano: tutte le forme di vita, fino a che respirano l'aria, assimilano carbonio-14, fatto che cessa con la nostra morte; è questo il momento in cui parte l'orologio di calcolo di trasformazione; serve per calcolare tessuti morbidi, datando fino a non oltre 5 mila anni fa); altro metodo è la termoluminescenza, che sfrutta la struttura cristallina dei materiali, che tendono a intrappolare gli elettroni, il cui accumulo aumenta se esposti a più tempo alla luce (viene usata per datare la ceramica, le scorie, le selci, perché quando viene cotta si blocca questo processo e quindi parte l'orologio. In base alla quantità di luce emessa dagli elettroni liberati, possiamo calcolare l'età della ceramica; la temperatura deve essere superiore ai 500*); la risonanza delle spie degli elettroni si basa sul campo magnetico prodotto da questi (calcola materiali fino a 300 mila anni fa); tecniche di datazione assoluta, che prevede una datazione in anni del fossile, precisa ed indiscutibile. Datazioni cronometriche si basano sulla radioattività; altri metodi la sfruttano per calibrare; un metodo assoluto è la dendrocronologia, che si basa sullo studio degli anelli interni ai tronchi degli alberi (questo avviene con determinate tipologie di alberi; può portarci indietro di 10 mila anni; ci permette di calibrare il carbonio-14, perché sgarra di parecchi anni in determinate situazioni; è uno dei metodi più precisi che abbiamo); racemizzazione degli aminoacidi, usato poco.

Nel record fossile italiano abbiamo diversi esemplari, siamo i terzi nel numero di campioni fossili: uno dei resti più famosi è quello di San Bernardin, in Veneto: è stato ritrovato un molare, una falange è un dente da latte, sono utilizzati come confronto per distinguere i Neandertal italiani. Sono stati effettuati vari esperimenti, anche l'approccio virtuale, in modo tale da valutare il volume del dente, la sua radice, la sua polpe dentale. Facendo queste analisi e il dna antico, risulta l'uomo moderno, nonostante siamo nel Paleolitico; attraverso il carbonio-14 si è scoperto che il dente era medievale: questo dimostra che possiamo fare un'infinità di esami, ma fino a che non abbiamo una data certa, i dubbi sull'età non ci possono essere tolti. Questo fossile non era quindi un uomo di Neandertal, ma un uomo medievale.

Osteologia umana

I resti ossei rientrano nei fossili che studiamo, quindi conoscere l'anatomia scheletrica umana è fondamentale, anche se difficoltoso è ricostruire sempre queste strutture perché per molti antenati dell'uomo non abbiamo la struttura completa, come possiamo averlo per l'Homo di Neandertal; quindi dobbiamo confrontare l'ossatura attuale con quei pochi resti che abbiamo, per cercare di ricostruire le vecchie ossature. Studio delle ossa dell'uomo = osteologia.

Si può dividere la zona appendicolare, cioè gli arti e la cintura scapolare, e la zona assile, cioè la testa, il tronco e la gabbia toracica. Le parti principali che compongono il sistema scheletrico sono le ossa, i legamenti, le cartilagini, i tessuti connettivi.

Ossa: si possono collegare tramite legamenti e tendini, inglobate nel tessuto connettivo; le ossa vengono mosse attraverso i muscoli. Lo scheletro sopporta il peso del corpo e il peso degli organi interni. Ha funzione di sostegno e di protezione, fondamentale inoltre per il movimento. Osso cocsale, doppio nel bacino, nel centro ha il sacro; in ogni parte si articola il femore; abbiamo il muscolo che si contrae anteriormente e posteriormente, facendo muovere il femore e quindi la gamba. Lo scheletro è anche una riserva di calcio e fosforo, oltre che di magnesio. La cavità midollare è importante per la produzione di globuli bianchi e piastrine.

Struttura ossea

• Un osso lungo come un femore è caratterizzato da varie epifesi e da una colonna, chiamata diafisi; all'interno l'osso è spugnoso; nei soggetti giovani possiamo vedere la metafisi, che sta tra l'epifesi e diafisi: qui avviene la deposizione di cartilagine, fino al blocco della crescita in età adulta.
• Le ossa del cranio sono chiamate ossa piane, formate dalla corteccia e dal nucleo interno chiamato.

Le ossa dello scheletro si modificano nel corso del tempo e in base alle attività giornaliere, quindi si può considerare vivo. È composto anche da vasi sanguigni, tessuti nervosi, zone adipose. La parte esterna, il periostio, è un tessuto connettivo molle, scompare quindi una volta che l'individuo muore. La parte compatta si presenta densa, la parte spugnosa è ricca di cavità. Osso trabicolare: vi vengono prodotti i globuli rossi.

Trasformazione dell'osso

Nel collo del femore, articolandosi con l'osso cocsale, abbiamo la dimostrazione delle attività dell'individuo, perché le trabicole si modificano in base allo sforzo quotidiano dell'uomo. Così come lo spessore dell'osso, che cambia in base allo sforzo: più è spesso, più è sollecitato. La tibia, quando camminiamo, è soggetta ad un certo movimento, antero-posteriore: per cui la parte posteriore, se è spessa, dimostra il bipedismo dell'individuo.

Dal periostio entrano i vasi sanguigni, ed è la parte esterna. La parte interna si chiama endostio. Negli individui giovani, la cavità midollare è piena di globuli e piastrine: negli adulti il midollo rosso è sostituito da quello giallo.

Osteogenesi

L'osteogenesi, cioè lo sviluppo e la trasformazione dell'osso, si differenzia in base al soggetto: ossa di bambini, di soggetti immaturi e ossa di individui maturi; nel cranio di soggetti immaturi, lo spessore è di pochi millimetri, e diviene osso lamellare, regolare e unita, compatta, con la crescita. All'interno dell'osso compatto troviamo gli ostioni, cioè le strutture che lo caratterizzano: sono lamelle circolari con all'interno un canale (Canale aversiano) in cui passano i vasi, che si incrociano con canali trasversali, che permettono di nutrire il canale principale. Una struttura nitida di questi ostioni è tipica negli individui minori, piccoli, perché più si va avanti con l'età più questi ostioni vengono distrutti (ci permette quindi di calcolare l'età di un individuo).

Cellule

Abbiamo quattro cellule fondamentali: osteociti, osteoblasti, osteoclasti, osteoprogenitrici. L'osso viene distrutto alla fine delle osteoclasti. Osteoblasti: fondamentali per la protezione del materiale osseo, viene prodotto il tessuto, che poi diverrà tessuto osseo; continuano a produrre tessuto osseo fino a che la cellula non ne è circondato. La cellula diviene poi osteocita: si dice che diviene silente, fino a che non avviene ad esempio...