Fossili

Comprensione del clima e degli ecosistemi passati



Un caso di studio sui depositi del Mio-Pliocene presso il West Coast Fossil Park, in Sudafricadi Alexandra Guth, Michigan Technological University

Ricostruire un ambiente: Gli scienziati combinano molte prove per comprendere il passato della Terra. I fossili (A) mostrano in particolare quali animali vivevano in una regione, mentre i sedimenti che circondano le ossa forniscono importanti indizi sull'impostazione deposizionale. Le ossa possono essere ulteriormente analizzate per le loro composizioni isotopiche, che è influenzato dalle piante che l'animale ha consumato mentre era in vita (B). Inoltre, il polline rilasciato dalle piante tende a essere prontamente conservato nella documentazione geologica, fornendo una documentazione dettagliata delle comunità floreali passate. Tutti questi elementi di prova possono essere combinati per creare ricostruzioni dettagliate di ambienti che esistevano milioni di anni fa (C).

Parco fossile della costa occidentale: Mappa della posizione che mostra l'elevazione dell'Africa (1) con la regione del Capo Occidentale del Sudafrica (2) ampliata. Sulla mappa 2, la stella arancione meridionale è la posizione di Città del Capo e la stella blu settentrionale rappresenta il West Coast Fossil Park. La regione del sottoinsieme 3 viene espansa per mostrare le attuali condizioni del livello del mare (3A) e la situazione 5,2 milioni di anni fa, quando il livello del mare era ~ 30 metri più alto dell'attuale (3B). A quel tempo, il sito occupato dal parco fossile sarebbe stato vicino alla costa dove l'antico fiume Berg si svuotava nell'Atlantico. La mappa di base di Elevation of Africa proviene dal set di dati CleanTOPO2 e le immagini satellitari sono Landsat GeoCover della NASA intorno al 2000.

Introduzione

Come facciamo a sapere com'era l'antica Terra prima che le persone fossero presenti per testimoniare e registrare le condizioni? Uno dei principali modi in cui i geoscienziati svelano i climi e gli ecosistemi passati è quello di condurre studi dettagliati sui depositi che contengono i resti conservati di piante e animali antichi.

La formazione di fossili è generalmente un evento raro, quindi trovare sacche di resti fossili concentrati o altamente dettagliati è scientificamente prezioso. I depositi fossili noti per la loro diversità o dettaglio sono chiamati Lagerstätten (tedesco per "motherlode" o "luogo di deposito"), che può essere diviso in due tipi principali.

Konservat-Lagerstätten sono luoghi in cui si trovano i dettagli di un organismo Conserve (notare la somiglianza tra l'equivalente tedesco e l'inglese in corsivo). In tali siti le parti molli di un organismo, che normalmente decadono, sono registrate come impressioni o pellicole di carbonio. Esempi ben noti di tali depositi sono la Burgess Shale nella British Columbia e la Green River Formation negli Stati Uniti occidentali.

La seconda varietà è la Konzentrat-Lagerstätte, che è un luogo dove c'è una grande concentrazione di ossa. Sebbene questi siti non forniscano molti dettagli precisi sugli organismi, possono fornire uno scorcio di un antico ecosistema concentrando le ossa degli animali che normalmente si diffonderebbero su una vasta area. Esempi includono le esposizioni Morrison Formation di età giurassica al monumento nazionale dei dinosauri nello Utah e il letto di ossa di Sharktooth Hill di 15-16 milioni di anni in California.

Un altro esempio di Konzentrat-Lagerstätten si trova nei depositi di sedimenti della formazione Langebaanweg nel parco fossile della costa occidentale del Sudafrica. I numerosi resti all'interno di questi letti fossiliferi forniscono importanti informazioni sulle comunità biologiche e sul clima della regione circa 5 milioni di anni fa.

Individuazione e sviluppo del sito

Originariamente una miniera di fosfato, i fossili furono scoperti alla fine degli anni '50. I fosfati vengono estratti oggi principalmente per il loro uso nei fertilizzanti e l'acido fosforico è comunemente usato nelle bevande analcoliche. Queste rocce, tuttavia, furono inizialmente estratte per essere utilizzate negli armamenti della Seconda Guerra Mondiale.

I depositi di fosfato sedimentario sono prodotti in regioni ad alta produttività biologica marina, come le moderne piattaforme continentali. A causa delle mutevoli condizioni, in questo caso il livello del mare, le regioni precedentemente sott'acqua sono ora esposte a terra e accessibili per il rilevamento e lo scavo. L'estrazione attiva nel sito fossile cessò nel 1993 quando la miniera chiuse e l'area in cui erano stati scoperti fossili fu messa da parte come monumento nazionale (presto divenne un sito del patrimonio nazionale). L'attività mineraria potrebbe aver distrutto l'80% dei fossili in questo sito, ma ci sono ancora circa 1 milione di esemplari conservati nelle collezioni del Museo sudafricano di Iziko.

Roccia fosfatica con materiale organico: Una scala centimetrica accanto alla roccia fosfatica. I grani rossi rappresentano il materiale organico fosfatato. Foto di Alexandra Guth.

Formare un Konzentrat-Lagerstätte

È comune visualizzare il processo di fossilizzazione come un singolo animale che muore e poi viene seppellito sul posto. Mentre alcuni animali morirono direttamente sulle pianure alluvionali che un tempo esistevano nel sito, molti dei resti del West Coast Fossil Park furono spostati e concentrati dall'acqua in questa singola posizione nel tempo.

Probabilmente l '"antenato" del fiume Berg si svuotò nell'Atlantico vicino all'attuale parco quando le ossa furono deposte. Una barra di sabbia offshore potrebbe aver impedito che i resti venissero gettati nel mare e potrebbe anche aver agito simultaneamente per intrappolare i resti bagnati dall'oceano.

Ricostruire un ambiente

Diversi animali e piante hanno diverse esigenze di habitat; quindi, identificare i resti per stabilire quale comunità è presente fornisce indizi sugli ecosistemi passati. Questo compito diventa più difficile per i depositi che rappresentano una fauna completamente estinta (come i dinosauri della formazione di Jurassic Morrison), ma i resti del West Coast Fossil Park hanno un "mero" 5 milioni di anni. Mentre la maggior parte delle specie conservate nel parco si estinguono da sole, sono strettamente correlate alle specie moderne.

In termini di identificazione di un animale non è necessario il 100% delle ossa di un individuo per identificarlo con sicurezza. Ciò è particolarmente importante, poiché interi scheletri non si trovano comunemente, specialmente in Konzentrat-Lagerstätten dove le ossa sono state disarticolate e trasportate. C'è spesso un ulteriore pregiudizio di conservazione, in cui piccole ossa delicate vengono distrutte durante il trasporto, mentre le ossa più spesse e più robuste hanno maggiori probabilità di rimanere intatte. Nonostante queste difficoltà, i paleontologi hanno abbastanza successo nel classificare e identificare le ossa per raffigurare l'antica comunità.

Gli animali trovati nel Parco dei fossili della West Coast indicano che l'area era vicino al confine tra terra e oceano, dato che entrambi gli animali marini (ad esempio foca, squalo megalodonte, 4 specie di pinguino) e mammiferi terrestri (ad esempio giraffa a collo corto, aardvark , iena, ippopotamo, mammut, antilope, cavallo a tre dita, gatto dai denti a sciabola) sono stati trovati insieme. La presenza aggiuntiva di rane (almeno 8, forse ben 12 specie sono rappresentate nei depositi) indica che deve esserci stata acqua dolce in piedi. Mentre molte specie di rane mostrano una certa tolleranza all'acqua salata, non ci sono anfibi noti che abitano habitat puramente marini.

Letto osseo: Il letto osseo in situ esposto presso il West Coast Fossil Park, in Sudafrica. L'osso mascellare al centro apparteneva a un Sivathere, un parente estinto della giraffa moderna. La stringa segna una griglia di 1 metro.

Isotopi di carbonio: più che semplici incontri per età

Una comprensione più dettagliata può venire dall'esame degli isotopi di carbonio conservati nelle ossa e nei denti. Mentre la maggior parte delle persone ha familiarità con l'isotopo C-14 a causa del suo uso nella datazione di resti recenti (vedi discussione sotto), il carbonio ha due isotopi che sono più comuni e non radioattivi. C-12 è l'isotopo più comune del carbonio, con C-13 che è un isotopo stabile secondario. Poiché sono stabili, non si deteriorano nel tempo.

Diversi gruppi di piante hanno rapporti distinti di isotopi di carbonio che possono essere usati come impronta digitale per paleodiet di animali antichi. Il carbonio nelle piante viene utilizzato per costruire ossa e denti, in modo tale che i rapporti nelle piante si riflettano nelle ossa degli animali che le consumano.

Queste diverse firme isotopiche sono dovute alle diverse vie metaboliche utilizzate dalle piante. Molte erbe sono geologicamente recenti e sono "piante C4", mentre gli alberi e le piante erbacee sono "piante C3". Una savana è composta da piante C4 e C3 in quanto vi sono alberi, arbusti ed erbe. Una foresta d'altra parte, sarà prevalentemente piante C3. Una flora unica in Sud Africa è il fynbos (pronunciato: "finebose"), che è anche C3.

Un animale che consuma principalmente piante C3 avrà un diverso rapporto isotopico di carbonio nelle ossa rispetto a un animale che mangia principalmente piante C4. Le analisi effettuate sui resti di ungulati (mammiferi zoccoli: ippopotami, antilopi, giraffe, maiali, ecc.) Indicano che l'ambiente presente nel parco fossile 5 milioni di anni fa era dominato da piante C3.

Polline

Mentre l'analisi isotopica indicava che la regione non era dominata da erbe, non poteva distinguere tra alberi, arbusti e fynbos. Fortunatamente il polline rilasciato dalle piante è in genere abbondante e ben conservato nei sedimenti.

Il polline, a differenza dei rapporti isotopici, può identificare in modo univoco una famiglia di piante o un genere presente nell'area. Come ulteriore vantaggio, a differenza delle piante più grandi che rimangono come il legno o le foglie, il polline viene facilmente trasportato dal vento e dall'acqua e viene quindi diffuso ampiamente dalla posizione di una singola pianta. Mentre potresti non trovare mai una foglia fossile da una singola pianta, è molto più probabile che trovi il suo polline.

L'analisi del polline nel Fossil Park indica che la regione 5 milioni di anni fa includeva le Ranunculaceae erbacee (ad es. Ranuncoli), Cyperaceae (carici, ad es. Papiri), Asteraceae (ad es. Margherite) e Umbelliferae (ad es. Prezzemolo, pizzo della regina Anna). La combinazione di queste famiglie botaniche è stata utilizzata per dedurre un habitat costiero pianura. La presenza delle famiglie di piante Asteraceae, Chenopodiaceae (pelle d'oca) e Amaranthaceae (amaranto) indicava inoltre condizioni più asciutte. Erano presenti anche polline di alberi della famiglia delle Proteaceae (ad es. Protea), nonché i generi Podocarpus (ad es. Bosco giallo) e Olea (ad es. Ulivo e ferro da stiro).

La presenza di tutto questo polline fornisce un quadro delle comunità vegetali che abitavano questa regione al momento del deposito dei sedimenti fossiliferi. Sapere quali piante e animali erano presenti al momento può quindi essere utilizzato per indicare l'ambiente passato.

The Goldilocks Age Dating Problem

Il carbonio-14 è l'isotopo radioattivo (presente in natura) del carbonio che è il metodo più popolare per la datazione di vecchi materiali. Tuttavia, la stragrande maggioranza del record rock non può essere datata con questa tecnica perché l'emivita del C-14 è troppo breve e richiede anche la presenza del materiale organico originale (mentre la fossilizzazione sostituisce il materiale organico originale con più minerali durevoli). Quando il materiale organico ha 75.000 anni, nel campione è rimasto troppo poco C-14 per misurare in modo affidabile.

L'isotopo radioattivo del potassio (K-40) ha un'emivita molto più lunga rispetto al C-14 ed è presente nelle rocce ignee. Pertanto, le tecniche che coinvolgono il potassio e il suo prodotto derivato Argon, possono essere utilizzate su materiali che sono stati eruttati da vulcani più di 100.000 anni fa (poiché l'emivita è così lunga, questa tecnica non può essere utilizzata su materiale molto giovane perché una frazione così piccola del potassio originale è decaduto che non possiamo misurarlo accuratamente).

Sfortunatamente, il Sudafrica non era vulcanicamente attivo durante il periodo in cui questi animali morirono, quindi i sedimenti non possono essere datati direttamente usando argon di potassio. Tuttavia, altri metodi che coinvolgono modelli di cambiamento del livello del mare, paleomagnetismo e fossili possono essere usati per indicare l'età dei sedimenti.

Collegamento di età con fossili

La biostratigrafia è un metodo per ordinare il record di roccia sulla base dei resti animali presenti ed è un'alternativa utile per fornire vincoli di età sulle rocce fossilifere. Alcuni lignaggi di animali come i maiali e gli elefanti sembrano cambiare rapidamente (in senso geologico), quindi identificare diversi gruppi di questi animali può aiutare a individuare l'età delle rocce.

Indizi di animali fossili limitano l'età dei sedimenti del parco fossile della West Coast a circa 5,2 milioni di anni fa. Il suid (maiale) Nyanzachoerus kanamensis è stato trovato sia nell'Africa orientale che nel parco fossile. A causa del rifting attivo e dell'attività vulcanica associata in Africa orientale, una data di età assoluta (come in, possiamo appuntarne un numero), è stata associata a quella specie. Dato che la famiglia dei suini stava vivendo cambiamenti geologicamente rapidi, trovando quella specie possiamo dire qualcosa sull'età dei sedimenti nel parco.

Maggiori informazioni
1 Isotope Analyses and the Stories of Maize: Robert H. Tykot, Capitolo 10 in: J.E. Staller, R.H. Tykot e B.F. Benz (editori), Storie di mais: approcci multidisciplinari alla preistoria, linguistica, biogeografia, domesticazione ed evoluzione del mais, Academic Press (Elsevier), 2009.
2 The Rocks and Minerals of Cape Town: J.S. Compton, Double Storey Books, Città del Capo, Sudafrica, 112 pagine, 2004.
3 CleanTOPO2: dati di elevazione mondiale SRTM30 Plus modificati: Tom Patterson, US National Park Service, 2013.
4 Contesto regionale e globale del sito paleontologico del tardo cenozoico Langebaanweg (LBW): costa occidentale del Sudafrica: David L. Roberts, et al., Earth-Science Reviews, Volume 106: 3-4, pagine 191-214, 2011.
5 L'ambiente 5-5,2 milioni di anni fa: articolo sul sito web del Fossil Park della West Coast, ultimo accesso a dicembre 2016.

Conclusioni

La ricostruzione di un ambiente può spesso essere dovuta a dettagli precisi: firme isotopiche nelle ossa, schemi micro-dentali sui denti (i graffi sulla superficie dei denti possono indicare se l'animale era un estirpatore, un browser o un alimentatore a modalità mista), assemblaggi di polline nei sedimenti , eccetera…

Al momento, il parco esiste in un clima mediterraneo e si trova a oltre 10 km dall'oceano. Tutte le prove combinate indicano tuttavia che cinque milioni di anni fa il parco fossile della West Coast sarebbe esistito in un bosco subtropicale vicino al quale un antico fiume Berg si svuotava nell'Atlantico.

I resti di animali combinati con indizi microscopici e chimici creano un quadro coerente di come fosse questa regione, anche se nessun umano era presente per testimoniarlo direttamente. È in questo modo che i geoscienziati svelano i misteri della vita e del clima passati della Terra.

Oggi, questi fossili possono essere visti in situ (sul posto) presso il West Coast Fossil Park in Sudafrica, e gli ospiti possono anche aiutare a completare il quadro ambientale alla ricerca di microfossili di uccelli, rane, roditori e molti altri piccoli animali sul setaccio schermi. Eventuali reperti vengono aggiunti alle collezioni del museo - i visitatori non sono autorizzati a raccogliere campioni per se stessi, poiché tutti i fossili sono protetti dallo stato in Sudafrica.

Parco fossile della costa occidentale

Il West Coast Fossil Park si trova 120 km a nord di Città del Capo, in Sudafrica. Il loro sito web contiene numerose informazioni sul sito, indicazioni dettagliate, informazioni sulla ricerca in corso, nonché animazioni e fogli di lavoro educativi. L'autore di questo articolo desidera ringraziare il gestore del Fossil Park, Pippa Haarhoff, per il suo aiuto e incoraggiamento.

Circa l'autore

Alex Guth è laureata presso la Michigan Technological University e la sua tesi si è concentrata sull'evoluzione vulcanica del Kenya Rift. Ha visitato diverse volte la regione del Capo Occidentale del Sudafrica per assistere il suo consulente nel campo di geologia e le sue ricerche in Africa hanno portato a diverse opportunità di lavorare con National Geographic. Il suo sito web può essere visualizzato su: //www.geo.mtu.edu/~alguth/