Dall’Universo al Pianeta azzurro Tano Cavattoni, Fabio Fantini, Simona Monesi, Stefano Piazzini Dall’Universo al Pianeta azzurro

Capitolo 3 I fossili e la scala del tempo geologico Come nella storia civile si consultano i documenti, si ricercano le medaglie, si decifrano le antiche iscrizioni, così nella storia naturale si deve rovistare negli archivi del mondo, si devono estrarre dalle viscere della Terra i vecchi monumenti, raccogliere i loro resti. [...] È questo il solo mezzo per fissare qualche punto nell’immensità dello spazio e per porre qualche pietra numeraria sulla via eterna del tempo. George Louis Leclerc, conte di Buffon

Capitolo 3 I fossili e la scala del tempo geologico Lezione 8 Testimonianze della vita nelle rocce §3.1 Rocce sedimentarie e fossili §3.2 Formazione dei fossili §3.3 Processi di fossilizzazione

Capitolo 3 I fossili e la scala del tempo geologico Lezione 9 Misura del tempo geologico §3.4 Le testimonianze dei fossili §3.5 Datazione relativa e datazione assoluta §3.6 Datazione radiometrica §3.7 Datazione con il potassio-argo §3.8 Datazione con il radiocarbonio §3.9 Correlazioni stratigrafiche §3.10 Le ere geologiche e la scala dei tempi geologici

§3.1 Rocce sedimentarie e fossili La storia della Terra può essere ricostruita attraverso l’osservazione e lo studio delle rocce sedimentarie. Le rocce sedimentarie possono contenere testimonianze di organismi vissuti nel passato.

§3.1 Rocce sedimentarie e fossili I segni lasciati nelle rocce da organismi viventi, ci aiutano a ricostruire le caratteristiche biologiche, fisiche e geografiche degli antichi ambienti. Un fossile di balena, vecchio di circa 10 milioni di anni, rinvenuto nel Caucaso settentrionale, testimonia che a quell’epoca l’area del Caucaso era occupata da un bacino marino.

§3.1 Rocce sedimentarie e fossili Un fossile è formato dai resti di un organismo, dalle sue impronte o da qualunque altra testimonianza della sua attività, che si sono conservati nella roccia in modo più o meno completo.

§3.1 Rocce sedimentarie e fossili La scienza che studia la vita del passato attraverso lo studio dei fossili si chiama paleontologia. Sono considerate fossili tutte le testimonianze della vita nel passato, dalle sue origini fino allo sviluppo delle civiltà umane, circa 10.000 anni fa. Le tracce relative ai periodi successivi a questa età sono considerate reperti archeologici e sono oggetto di studio dell’archeologia.

§3.2 Formazione dei fossili La fossilizzazione è il processo che porta alla produzione dei fossili; esso è un fenomeno naturale che avviene raramente e in condizioni particolari. Hanno maggior probabilità di fossilizzarsi organismi che posseggono scheletri, gusci, o altre parti dure, ma in rarissimi e fortunati casi anche animali costituiti prevalentemente di acqua, come meduse e vermi, possono lasciare impronte fossili.

§3.2 Formazione dei fossili Successione degli eventi che portano alla fossilizzazione di un organismo Un’ammonite (1), mollusco cefalopode marino, muore e si deposita sul fondo (2). Le parti molli si decompongono in breve tempo, mentre il guscio è ricoperto dai sedimenti (3). Col procedere della sedimentazione lo scheletro è completamente sepolto. Col tempo i sedimenti si trasformano in rocce e lo scheletro fossilizza (4). Spinte tettoniche provocano il sollevamento delle rocce fino a farle emergere (5). L’erosione mette il fossile a giorno (6). 1 2 3 4 5 6

§3.2 Formazione dei fossili Condizione necessaria affinché si verifichi il processo di fossilizzazione è il rapido isolamento dei resti o delle tracce degli organismi. La fossilizzazione è un evento eccezionale perché è condizionata dalla differente velocità di due processi: quello di decomposizione, molto rapido, quello di sedimentazione, seppellimento e isolamento, molto più lento.

§3.2 Formazione dei fossili La condizione di isolamento si produce più facilmente in ambiente acquatico, sia marino che lacustre, sede di intensa sedimentazione. Negli ambienti subaerei, a differenza di quelli acquatici, la degradazione della materia organica è veloce e la probabilità che si verifichi la fossilizzazione è bassa.

il processo di sostituzione e il processo di carbonificazione. §3.3 Processi di fossilizzazione I processi di fossilizzazione più frequenti sono il processo di mineralizzazione, il processo di sostituzione e il processo di carbonificazione.

§3.3 Processi di fossilizzazione Con il processo di mineralizzazione si ha la deposizione di sostanze trasportate nei liquidi circolanti nei sedimenti (silice, carbonato di calcio e ferro) in tutte le cavità, anche le più piccole, presenti nei resti degli organismi.

§3.3 Processi di fossilizzazione Con il processo di sostituzione il fossile acquista una composizione chimica diversa dall’originale. Si verifica la sostituzione delle sostanze originarie con altre trasportate dai liquidi circolanti, sia nelle cavità che a livello molecolare.

§3.3 Processi di fossilizzazione Il processo di carbonificazione riguarda solo le parti molli degli organismi. Si verifica in assenza di ossigeno, attraverso reazioni chimiche che liberano anidride carbonica e acqua e lasciano un residuo ricco in carbonio.

§3.3 Processi di fossilizzazione Il processo di inglobamento lascia inalterati i resti dell’organismo è può avvenire nell’ambra, nell’asfalto, nel ghiaccio. Nel processo di mummificazione si ha la disidratazione dei resti dell’organismo.

§3.4 La testimonianza dei fossili A partire pochi elementi incompleti e disordinati rinvenuti in un reperto fossile, i paleontologi sono in grado di ricostruire la struttura interna e l’aspetto esteriore degli organismi. Reperto fossile Struttura ossea Aspetto esteriore

§3.4 La testimonianza dei fossili I resti fossili ci danno informazioni sulle caratteristiche dell’ambiente in cui vivevano gli organismi prima di fossilizzarsi. I fossili di corallo sono testimoni di un ambiente marino poco profondo, con acque calme e calde, situato a latitudini tropicali.

§3.4 La testimonianza dei fossili Lo studio dei fossili permette di individuare i cambiamenti che sono intervenuti negli organismi nel corso del tempo geologico e di delineare l’evoluzione dei sistemi viventi, riconoscendo la comparsa di nuove specie e la loro estinzione. Lo studio dei fossili ha consentito di ricostruire la storia evolutiva del cavallo negli ultimi 50 milioni di anni.

§3.5 Datazione relativa e datazione assoluta Delle rocce può essere determinata l’età assoluta oppure l’età relativa. La datazione relativa stabilisce se un dato evento si è verificato prima o dopo un altro evento. La datazione assoluta misura il tempo trascorso da quando un dato evento si è verificato.

§3.5 Datazione relativa e datazione assoluta Lo studio dei fossili offre uno strumento prezioso per effettuare datazioni relative. I paleontologi riconoscono le caratteristiche degli organismi che si sono succedute durante l’evoluzione e sanno quindi indicare quali fossili sono più antichi e quali più recenti.

§3.5 Datazione relativa e datazione assoluta In natura molti processi avvengono in modo costante e segnano il tempo come orologi. La sezione del tronco di un albero mostra i caratteristici anelli di accrescimento, che si aggiungono al ritmo di uno all’anno. Un tronco tagliato in sezione permette di misurare l’età dell’albero, senza bisogno di cercare documenti che indichino l’anno in cui l’albero fu piantato.

§3.6 Datazione radiometrica L’età assoluta è stabilita mediante il metodo radiometrico, basato sulla radioattività di alcuni atomi contenuti nelle rocce. I nuclei degli atomi radioattivi (nuclidi genitori) sono instabili e tendono a trasformarsi in nuclei stabili (nuclidi figli) attraverso il processo di decadimento radioattivo.

§3.6 Datazione radiometrica Per ogni nuclide radioattivo si conosce il tempo necessario affinché, a partire da una quantità Q iniziale, ne rimanga una quantità Q/2, cioè la metà. Questo tempo, detto tempo di dimezzamento, è costante. Dopo 2 tempi di dimezzamento la quantità del nuclide genitore che rimane è diventata Q/4, dopo 3 tempi Q/8 e così via.

§3.6 Datazione radiometrica I più comuni atomi usati nel metodo radiometrico per la datazione delle rocce e dei reperti fossili.

§3.6 Datazione radiometrica Il rapporto tra numero originario e numero attuale di nuclidi genitori consente di calcolare quanti tempi di dimezzamento sono trascorsi dal momento della formazione della roccia, diventa così possibile determinarne l’età assoluta. Con la datazione radiometrica si è potuto stabilire che: le più antiche rocce del pianeta hanno 4.000 Ma, l’età della Terra è di circa 4.500 Ma.

§3.7 Datazione con il potassio-argo Il potassio-40 è un nuclide che decade nel nuclide figlio argo-40 con un tempo di dimezzamento di circa 1,3·109 anni. Tutto l’argo presente in un campione di roccia proviene dal decadimento del potassio-40. La somma del potassio-40 e dell’argo-40 rinvenuti in un campione di roccia permette di calcolare la quantità di potassio-40 originario presente al momento della sua formazione. 28 28

§3.8 Datazione con il radiocarbonio Il carbonio-14 si trasforma nell’atmosfera in azoto-14 con un tempo di dimezzamento di 5.730 anni. Il carbonio-14 si trova in tutti i sistemi viventi, nei quali, grazie ai processi metabolici, la sua quantità resta costante per tutto il tempo della vita. Quando un organismo muore, il carbonio-14 comincia a trasformarsi in azoto-14. 29 29

§3.8 Datazione con il radiocarbonio La stima dell’età di un reperto organico si fa quindi misurando la quantità di carbonio-14 residua in esso presente. Il metodo del carbonio-14 può essere applicato solo a reperti costituiti da materiale organico e con un’età relativamente recente, non superiore ai 600.000 anni. 30 30

§3.9 Correlazioni stratigrafiche La datazione relativa delle rocce si fonda sul principio di sovrapposizione, che permette di riconoscere le rocce più giovani per il fatto che giacciono sopra le altre rocce. Se la stessa successione ha subito una perturbazione in conseguenza di un corrugamento crostale, in alcuni affioramenti strati più antichi risultano sovrapposti a strati più recenti. In una successione di strati non perturbati, gli strati sono disposti dai più antichi ai più recenti dal basso verso l’alto.

§3.9 Correlazioni stratigrafiche Le caratteristiche litologiche degli strati non sono influenzate dal tempo, perché i fenomeni geologici del passato sono gli stessi che si verificano ancora oggi, con le stesse modalità. I fossili contenuti nelle rocce sedimentarie, invece, sono unici, riconoscibili e attribuibili a un unico momento dell’evoluzione dei sistemi viventi. Poiché l’età di un fossile è la stessa della roccia in cui si è formato, si può affermare che strati rocciosi contenenti gli stessi fossili hanno la stessa età.

§3.9 Correlazioni stratigrafiche I fossili consentono di correlare strati appartenenti a formazioni diverse, separate anche da grandi distanze. Grazie ai fossili si possono effettuare correlazioni stratigrafiche, cioè stabilire relazioni cronologiche tra strati di affioramenti diversi.

Nelle due colonne stratigrafiche qui rappresentate vi sono lacune. §3.9 Correlazioni stratigrafiche Nelle due colonne stratigrafiche qui rappresentate vi sono lacune. Dalla correlazione degli strati si può però ottenere una colonna stratigrafica ideale più completa, che colma le lacune e abbraccia un arco di tempo maggiore rispetto a ciascuna delle due colonne prese singolarmente.

§3.9 Correlazioni stratigrafiche Molto utili per la datazione relativa delle rocce sono i fossili guida, fossili di organismi vissuti in un periodo geologico ristretto e che si rinvengono in aree molto vaste.

§3.10 Le ere geologiche e la scala dei tempi geologici I geologi e i paleontologi hanno ricostruito la storia della Terra prendendo a riferimento i principali eventi geologici e biologici verificatesi nel corso del tempo. È stata elaborata così la scala dei tempi geologici. La storia della Terra è suddivisa in grandi unità chiamate ere, lunghi intervalli di tempo che comprendono specifiche sequenze di eventi geologici e biologici. Le ere, a loro volta, sono suddivise in periodi e questi ultimi in epoche.

§3.10 Le ere geologiche e la scala dei tempi geologici

§3.10 Le ere geologiche e la scala dei tempi geologici I limiti tra le ere, tra i periodi e tra le epoche sono stati stabiliti facendo riferimento alle tracce lasciate da importanti avvenimenti geologici e/o biologici. Le ere hanno durata molto diversa, che diminuisce man mano che ci si avvicina all’epoca odierna. Ciò dipende dal fatto che le rocce,i reperti fossili e i segni di avvenimenti rilevanti sono tanto più rari quanto più si va indietro nel tempo.