Arquidia Mantina

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La storia della Terra

Gli obiettivi di questo capitolo sono:

  • Spiegare i diversi modi di conservazione dei fossili
  • Identificare il modo di conservazione dei campioni

Tutti sanno cosa è un fossile! Allora, come si definisce questo termine? In questo laboratorio, lo definiremo come una qualsiasi prova dell’esistenza di vita preistorica. Ciò che è difficile da definire in questa definizione è cosa si intende per preistorico. Considerereste fossili i corpi conservati a Pompei o i resti di un mastodonte congelato del Pleistocene che si è conservato abbastanza bene da essere mangiato? Alcuni dicono che qualsiasi cosa più vecchia di 11.000 anni è un fossile, ma questa parte della nostra definizione è una questione di semantica. Un buon posto per saperne di più su fossili e fossilizzazione è il Digital Atlas of Ancient Life.

Iniziamo questo capitolo su come gli organismi si fossilizzano con un rapido esercizio. La figura 6.1 contiene tre diversi organismi.

Figura 6.1 – a) Vermi, b) Alghe giganti; c) Conchiglie di cozze. Image credit: a) Soil-Net, CC BY-NC-SA; b) NPS, Public Domain; c) Linnaea Mallette, Public Domain.
  1. Quale organismo in Figura 6.1 pensi abbia la più alta possibilità di diventare un fossile e perché? ____________________

6.2 Tipi di conservazione

I fossili si conservano con tre metodi principali: parti morbide o dure inalterate, parti dure alterate e tracce fossili. Hai già imparato a conoscere le tracce fossili nel capitolo 4. La tafonomia è la scienza di come gli organismi decadono e si fossilizzano, o della transizione dalla biosfera alla litosfera.

I fossili inalterati sono incredibilmente rari, eccetto quelli catturati nell’ambra, intrappolati nel catrame, essiccati o congelati come un mammut di lana conservato. L’ambra è la resina d’albero fossilizzata che può intrappolare fiori, vermi, insetti così come piccoli anfibi e mammiferi. Il padre di uno degli autori faceva parte di un’operazione di dragaggio di una miniera d’oro che portò alla luce un vitello di mammut lanoso (soprannominato Effie) in Alaska; questo fu il primo mammut mummificato scoperto nel Nord America. Anche se è stato sepolto circa 21.300 anni fa, è ancora composto da tessuti e capelli. A volte, rimane solo un residuo organico che viene rilevato da tecniche biochimiche molecolari. I fossili più antichi della Terra sono conservati solo come molecole organiche complesse.

Il tessuto molle è difficile da conservare perché deve essere stato sepolto in un ambiente sedimentario privo di ossigeno e a bassa energia, dove non può avvenire il decadimento batterico. Poiché queste condizioni non sono comuni, la conservazione dei tessuti molli avviene raramente. Invece, esempi comuni di fossili inalterati sono materiali scheletrici che sono stati conservati con pochi o nessun cambiamento. Molti fossili di invertebrati marini e microfossili sono stati conservati in questo modo. I paleontologi stanno ora guardando più da vicino i fossili e cominciando a riconoscere i sottili strati di carbonio nella roccia intorno ai fossili come tessuti molli. Recentemente, un team guidato da Mark Norell, un paleontologo dell’American Museum of Natural History di New York City, ha identificato uno strato di carbonio intorno agli embrioni di dinosauro formatosi più di 200 milioni di anni fa che pensano fosse un guscio di uovo morbido!

I fossili inalterati contengono minerali che sono stati prodotti biologicamente; questi includono apatite (nelle ossa e nei denti e raramente negli esoscheletri, durezza = 5), calcite (carbonato di calcio che si trova in molti organismi come le conchiglie, durezza = 3, frizza in acido), aragonite (simile alla calcite, ma un polimorfo instabile) e opale (un tipo di silice trovato in animali e piante marine, durezza = 7). Le parti dure (esoscheletro) di alcuni insetti e artropodi sono fatte di chitina, un polisaccaride legato alla cellulosa. Quindi, se si possono identificare i minerali presenti in un fossile, si può distinguere se è materiale originale o alterato.

L’alterazione delle parti dure è molto più comune nei fossili e avviene quando il materiale scheletrico originale è permineralizzato, ricristallizzato, sostituito, carbonizzato o dissolto (Tabella 6.1).

Tabella 6.1 – Tipi comuni di conservazione dei fossili
Tipo di conservazione Esempio
La permineralizzazione avviene in tessuti porosi come l’osso e il legno. In questo tipo di conservazione, i minerali disciolti in acqua come il quarzo, la calcite o la pirite permeano lo spazio dei pori e cristallizzano. L’aggiunta di questi minerali dà luogo a fossili più densi e durevoli. Il materiale originale dell’osso o del legno può essere conservato, o può essere sostituito o ricristallizzato
Figura 6.2 – Legno pietrificato dal Petrified Forest National Park, AZ. Image credit: Jon Sullivan, Public Domain.
La ricristallizzazione comporta un cambiamento nella struttura dei cristalli, ma non un cambiamento nella chimica dei minerali, simile alla ricristallizzazione nelle rocce metamorfiche. Per esempio, il minerale aragonite, un minerale comune di molte conchiglie, a volte cambia in calcite, una forma più stabile geologicamente della stessa composizione chimica, CaCO3 (anche detto polimorfo). In genere, le dimensioni e la forma complessive di un fossile ricristallizzato non variano sostanzialmente dall’esemplare originale inalterato, ma i dettagli fini possono essere persi.
Figura 6.3 – Corallo ricristallizzato di età siluriana dall’Ohio. Image credit: James St. John, CC BY.
La sostituzione è la sostituzione del materiale scheletrico originale con un minerale secondario. Per esempio, la calcite di un guscio d’ostrica può essere sostituita, molecola per molecola, da silice. È notevole che il fossile sostituito possa mantenere alcuni dei dettagli cellulari fini presenti nell’originale anche se la sua composizione è cambiata. In questo tipo di fossilizzazione, lo spazio dei pori non è riempito e i fossili non sono così densi. I minerali di sostituzione più comuni sono la silice (quarzo), la pirite, la dolomite e l’ematite. La sostituzione con la pirite crea alcuni fossili spettacolari, specialmente quelli ospitati dagli scisti neri!
Figura 6.4 – Fossili del Permain medio sostituiti con la silice dalla Formazione Road Canyon in Texas. Image credit: Wikimedia user Wilson44691, CC BY-SA.
La carbonizzazione è un tipo di conservazione dei fossili in cui l’organismo è conservato come una pellicola residua e sottile di carbonio invece della materia organica originale. Foglie, pesci e graptoliti sono comunemente conservati in questo modo. La compressione dell’organismo originale dà luogo a sottili strati di carbonio. La carbonizzazione può anche portare alla formazione di carbone.
Figura 6.5 – Carbonizzazione di graptoliti del Siluriano dalla Polonia. Image credit: James St. John, CC BY.
Stampi e calchi si formano quando il materiale scheletrico originale si dissolve. L’organismo lascia un’impronta nel sedimento, chiamata stampo, e se quell’impronta si riempie di nuovo sedimento, si crea un calco. I calchi sono fatti da stampi.
Figura 6.6 – Uno stampo (sinistra) e un calco (destra) di un trilobite fossile. Image credit: Roger Wellner.
Gli stampi interni si formano quando il sedimento riempie l’interno di una conchiglia prima che si dissolva; questo accade all’interno di bivalvi, lumache, o crani. Spesso le persone confondono i calchi e gli stampi interni perché entrambi hanno un rilievo positivo. Gli stampi interni conservano uno stampo tridimensionale dell’interno dell’organismo, mentre un calco conserva la struttura della parte più esterna dell’organismo.
Figura 6.7 – Dissoluzione di un gasteropode che ha lasciato uno stampo interno dell’organismo. Image credit: James St. John, CC BY.

I fossili di tracce, di cui abbiamo parlato nel Capitolo 4, non sono realmente fossili ma la prova che gli organismi hanno influenzato il sedimento scavando, camminando, o anche lasciando dietro di sé escrementi o vomito. Non scherziamo, c’è la cacca fossile; questo tipo di traccia fossile è chiamato “coprolite”, dalla parola greca kopros, che significa sterco. Un ultimo raro tipo di traccia fossile sono i gastroliti, pietre levigate estremamente lisce che aiutavano la digestione di animali e fossili come dinosauri e coccodrilli. Questi sono più altamente levigati delle ghiaie consumate dai torrenti.

Figura 6.8 – Diverse parti di organismi comparate a come possono essere conservate come fossili. I cerchi verdi sono tipi comuni di fossilizzazione, i cerchi verde chiaro e punteggiati sono meno comuni, e i cerchi verde chiaro sono modi non comuni o rari. Questo grafico è modificato da Ritter e Peterson (2015).
Figura 6.9 – Tipi di fossilizzazione che includono alterazione e sostituzione della conchiglia originale. Segui le frecce da un riquadro all’altro per vedere come i diversi processi possono portare a stampi e calchi. Il colore marrone è una roccia sedimentaria. Il modello casuale rappresenta il carbonato ricristallizzato e il modello punteggiato rappresenta minerali secondari come la silice o la pirite. Image credit: Shell showing growth lines and internal structure adapted from Casella et al., 2017 and fossilization processes adapted from from Ritter and Peterson (2015).

Questo modello mostra una conchiglia fossile conservata sulla destra (non un calco, originale) e uno stampo esterno sulla sinistra del cefalopode ammonoide Gunnarites sp. dal Cretaceo Lopez de Bertodano Formation di Snow Hill Island, Antarctica. L’esemplare fossile proviene dalle collezioni del Paleontological Research Institution, Ithaca, New York. Il diametro dell’esemplare (esclusa la roccia circostante) è di circa 9 cm.

Cephalopod: Gunnarites sp. (PRI 61543)
da Digital Atlas of Ancient Life
su Sketchfab

Questo è un esempio di stampo interno (1) ed esterno (2) del gasteropode Cassidaria mirabilis dal Cretaceo di Snow Hill Island, Antarctica. L’esemplare proviene dalle collezioni del Paleontological Research Institution, Ithaca, New York, ed è lungo circa 6 cm (esclusa la roccia circostante).

Gastropode: Cassidaria mirabilis (PRI 58468)
da Digital Atlas of Ancient Life
su Sketchfab

Altri modelli 3-D sulla conservazione dei fossili possono essere trovati al Digital Atlas of Ancient Life.

Se mai un amico ti chiedesse di aiutarlo a identificare un fossile, fai attenzione agli pseudofossili, incidenti di diagenesi che sembrano un fossile ma sono solo strane formazioni sedimentarie come i noduli settari che vengono scambiati per pelle di rettile o gusci di tartaruga, concrezioni che vengono scambiate per uova, e dendriti di ossido di manganese che vengono scambiati per felci o muschio.

6.3 Manipolazione dei fossili

Se stai facendo questo laboratorio quando l’insegnamento è faccia a faccia in un ambiente di laboratorio, sarai in grado di maneggiare sia esemplari reali che copie di fossili. Anche se questi possono essere stati in giro per milioni o miliardi di anni e sembrano ormai rocce, devono essere trattati con rispetto. Alcuni dei fossili che puoi maneggiare possono essere l’unico esemplare del suo genere nella collezione.

Se ti sei chiesto come iniziare la tua collezione di fossili, puoi andare a cercare i tuoi o acquistarli. Il prezzo dei fossili in vendita varia da economico a scandalosamente costoso. Nel 2020, un collezionista anonimo ha acquistato un Tyrannosaurus rex fossile, soprannominato Stan, per 31,85 milioni di dollari. Questo esemplare aveva solo 188 ossa ed era uno dei più completi della sua specie. Si possono trovare anche fossili poco costosi come le lumache fossilizzate del Marocco per soli 0,30 dollari l’una.

Alcuni fossili sono estremamente fragili. Alcuni campioni delicati sono preparati mediante abrasione ad aria con polvere di talco per rimuovere la matrice. Per alcuni esemplari di trilobite, questo richiede migliaia di ore per esporre le loro caratteristiche delicate.

Alcuni fossili che userai possono essere facili da sostituire e altri impossibili. Altri possono far parte della collezione personale di un membro della facoltà. Maneggia solo gli esemplari che il tuo assistente dice che puoi maneggiare.

I fossili saranno disponibili per te solo durante la sessione di laboratorio. Durante la recente pandemia, molti esemplari simili sono stati raccolti come immagini web di cui il tuo TA ti darà un link.

Sei libero di fare schizzi o fotografare gli esemplari. Se lo fai, potresti voler mettere una scala nell’immagine, come una moneta o un righello. Questo ti aiuterà a ricordare le dimensioni dell’oggetto.

Alcuni degli esemplari avranno etichette o numeri scritti sopra e altri no perché potrebbero essere troppo fragili per essere scritti. È fondamentale che tu rimetta ogni esemplare nella sua scatola appropriata o nella sua posizione in un vassoio da laboratorio. Inoltre, non spostare nessuna delle etichette di carta dalle scatole. Questo eviterà la confusione per gli altri studenti del laboratorio.

Alcuni degli esemplari più grandi possono essere pesanti, specialmente quelli che sono stampi pieni di sedimenti. Non cercare mai di graffiare gli esemplari per la durezza. Inoltre, non usare mai l’acido come test minerale.

Infine, se rompi o rubi un campione, ti verrà addebitata la sua sostituzione.

Ispeziona il primo set di campioni e compila la tabella con le informazioni sulla presenza di materiale biologico originale, il rilievo positivo e negativo, e la composizione minerale dei campioni. Identifica la modalità di conservazione dei fossili. Usa il diagramma di flusso in figura 6.10 per aiutarti.

Figura 6.10 – Diagramma di flusso per identificare il tipo di conservazione dei fossili. Image credit: Carlos Andrade.
Tabella 6.1 – Foglio di lavoro per l’esercizio 6.2
Campione Materiale originario presente? Rilievo* Composizione minerale* Tipo di conservazione

*Nota che potresti non vedere il rilievo o essere capace di identificare il minerale. Lasciateli in bianco se necessario.

Pensiero critico: Perché la sostituzione è il modo più comune di conservazione?

Il modo in cui un organismo può diventare fossile dipende da molte cose. Sotto ci sono alcuni esempi su cui riflettere.

  1. Esamina uno stampo esterno nella tua collezione di fossili. Questi comunemente conservano dettagli come le venature delle foglie o le squame dei pesci.
    1. Qual è la granulometria della roccia circostante? ____________________
    2. Pensi che queste impronte possano essere conservate in sedimenti a grana grossa?

  2. Guarda alcuni esempi di carbonizzazione. In questi, la materia oscura è il residuo di carbonio organico che non è mai stato ossidato (decaduto). In quali condizioni potrebbe verificarsi questo tipo di conservazione?

  3. La tua collezione di fossili potrebbe avere graptoliti; un organismo coloniale planctonico estinto che secerneva un guscio organico di chitina simile alla tua cellulosa. Queste colonie sono di solito conservate come impronte bidimensionali, quasi sempre nere (indicando la carbonizzazione della chitina).
    1. Quale tipo di rocce sono più adatte a trovare graptoliti?

    2. Quali erano le condizioni di sepoltura?

  4. Alcune ossa e denti possono essere conservati come le ossa inalterate o i denti di squalo.
    1. Come distingueresti questi dalle ossa fossili permineralizzate?

    2. Il legno permineralizzato può graffiare il vetro?

  5. Ora considera la vasta gamma di ambienti sedimentari.
    1. Quali ambienti sedimentari non sono adatti alla conservazione dei fossili?

    2. Quali ambienti sedimentari sono buoni per conservare i fossili?

    3. Quali ambienti deposizionali all’interno degli ambienti continentali e marini sono migliori per conservare i fossili? Spiega.

    4. Le eruzioni vulcaniche possono conservare i fossili? Spiega.

    5. Come può l’energia dell’ambiente sedimentario influenzare la conservazione dei fossili?

    6. Puoi trovare fossili nelle rocce metamorfiche? Se sì, quali fattori aiutano la loro conservazione?

  6. Pensiero critico: Ci sono più invertebrati che vertebrati fossili in questo esercizio di laboratorio. Spiega perché questo accade.

Durante il Permiano, da 299 a 252 milioni di anni fa, un esteso sistema di scogliere crebbe nel Texas occidentale ai margini di un piccolo bacino marino interno che si estendeva per 26.000 km² (10.000 miglia quadrate). Ora è chiamato il bacino del Delaware, sede di un importante giacimento di petrolio (Figura 6.11). Questa barriera è ora esposta in tre catene montuose: Apache, Guadalupe e Glass Mountains. Altrove, la barriera è ora sepolta intorno all’intero bordo del bacino.

Figura 6.11 – Mappa della barriera permiana esposta e non esposta che circondava il bacino del Delaware, un mare interno. Credito immagine: adattato da Virginia Sisson dal National Park Service.

A differenza delle moderne barriere coralline come la Grande Barriera Corallina dell’Australia o le barriere al largo della costa della Florida e del Belize, era costruita da spugne, alghe e animali piumati chiamati briozoi. Una magnifica esposizione di questa barriera è El Capitan nel Guadalupe Mountains National Park. Il reef è suddiviso in tre parti: reef posteriore, reef e reef anteriore. Ognuno aveva il suo ecosistema unico così come la litologia e la conservazione. La parte profonda di questo bacino raggiungeva profondità di quasi 800 metri (½ miglio) ed è dove molta materia organica si è depositata lasciando scisti neri – la fonte del petrolio.

Figura 6.12 – Sezione schematica attraverso una barriera corallina che mostra il reef posteriore, il reef e il reef anteriore così come il bacino marino. Credito immagine: adattato da Virginia Sisson dal National Park System.

Il mare interno del Delaware aveva uno stretto sbocco nell’oceano Panthalassan molto simile al Mar Nero oggi. Dopo ~30 milioni di anni, l’entrata si restrinse e il bacino cominciò a seccarsi formando estesi depositi di evaporite (Castille e Salado Formations). Questo ha creato salamoie acide supersature che hanno iniziato a dissolvere la barriera carbonatica sottostante formando grotte estese e carsiche che ora si possono visitare al Carlsbad Caverns National Park e alla Lechuguilla Cave – l’ottava grotta esplorata più lunga del mondo, lunga ~220 km o 138 miglia. Queste salamoie hanno anche dissolto le spugne ricche di silice che hanno formato la barriera e hanno influenzato la conservazione dei fossili in parti di questo sistema di barriera permiana.

La stratigrafia di questo bacino è complicata, poiché non solo varia con il tempo, ma con la posizione nella barriera. Secondo una recente analisi stratigrafica delle sequenze, ci sono state fino a sei sequenze da trasgressive a regressive in questo bacino (Kerans e Kempter, 2002). La figura 6.13 fornisce una stratigrafia semplificata per il bacino durante il Permiano.

Figura 6.13 – Stratigrafia semplificata per il bacino del Delaware. Image credit: Simplified by Virginia Sisson from Kerans and Kempter (2002).

I fossili della Formazione Capitan delle Glass Mountains sono conservati in modo unico (vedi Figura 6.4). I paleontologi hanno scoperto che è facile dissolvere il carbonato ospite in un acido debole e lasciare dietro di sé esemplari spettacolari.

Figura 6.14 – Fossili dalla Formazione Capitan delle Montagne di Vetro. a) testo qui; b) testo qui; c) testo qui; d) testo qui. Image credit: a) Wikimedia user Wilson44691, CC0 Public Domain; b) testo qui; c) Wikimedia user Wilson44691, CC0 Public Domain; d) testo qui
  1. Il minerale in questi fossili è più duro del vetro e non frizza perché non è più un carbonato. A volte questo minerale è solo un rivestimento e altre volte l’intero fossile è questo nuovo minerale.
    1. Che cos’è il minerale? ____________________
    2. Qual è il modo di conservazione di questi fossili? ____________________
    3. Sono stati coinvolti dei fluidi nella loro conservazione? Se sì, qual era la loro composizione?

    4. Perché pensi che questo tipo di conservazione si trovi in questa unità stratigrafica.

    5. In quale parte del reef sono stati trovati questi fossili? Reef posteriore, reef, reef anteriore o bacino? ____________________
  2. Da qualche parte nella Formazione Skinner Ranch delle Montagne di Vetro, i fossili includono questa incredibile spirale di denti di una creatura estinta simile ad uno squalo, conosciuta come Helicoprion.
    1. In quale tipo di sedimento si trova questo fossile? ____________________
    2. Qual è la modalità di conservazione di questo fossile? ____________________
    3. In quale punto del reef viveva Helicoprion? Reef posteriore, reef, reef anteriore o bacino? ____________________
  3. Nelle Guadalupe Mountains si possono trovare spessi strati di carbonato con molti fossili come questi:
    1. Qual è il minerale? ____________________
    2. Qual è il modo di conservazione di questi fossili? ____________________
    3. Sono stati coinvolti dei fluidi nella loro conservazione? Se sì, qual era la loro composizione?

    4. Perché pensi che questo tipo di conservazione si trovi in questa unità stratigrafica.

    5. In quale parte del reef sono stati trovati questi fossili? Reef posteriore, reef, reef anteriore o bacino? ____________________
  4. Pensiero critico: Riassumi le tue osservazioni sulle modalità di conservazione in diverse parti del sistema corallino permiano. Puoi spiegare perché la conservazione è la stessa o diversa intorno all’antica barriera?

Casella, L.A., Griesshaber, E., Yin, X., Ziegler, A., Mavromatis, V., Müller, D., Ritter, A.-C., Hippler, D., HarperE.M/, Dietzel, M, Immenhauser, A., Schöne, B.R., Angiolini, L., e Schmahl, W.W., 2017, Biogeosciences, 14, 1461-1492, doi:10.5194/bg-14-1461-2017.

Kerans, C., e Kempter, K., 2002, Hierarchical stratigraphic analysis of a carbonate platform, Permian of the Guadalupe Mountains: The University of Texas at Austin, Bureau of Economic Geology (American Association of Petroleum Geologists/Datapages Discovery Series No. 5), CD-ROM.

Norell, M.A., Weimann, J., Fabbri, M., Yu, C., Marsicano, C.A., Moore-Nall, A., Varricchio, D.J., Pol, D., and Zelinitsky, D.A., 2020, The first dinosaur egg was soft. Nature, 583, 406-410, Published online June 17, 2020. doi: 10.1038/s41586-020-2412-8

Ritter, S., and Peterson, M., 2015, Interpreting Earth History: A Manual in Historical Geology, Eighth Edition, Waveland Press Inc, 291 pp.

un animale privo di spina dorsale come una vongola o un verme

un animale dotato di spina dorsale come un cane o un gatto

un periodo geologico che si estende per 47 milioni di anni alla fine del Paleozoico, dalla fine del Carbonifero (298.9 Ma) all’inizio dell’era Mesozoica con il Triassico (251,902 Ma)

organismi multicellulari con corpi pieni di pori che permettono all’acqua di circolare attraverso di loro. Sono fatti di collagene e alcuni hanno spicole ricche di silice.

un tipo di animali invertebrati acquatici. Sono filtratori che estraggono particelle di cibo dall’acqua usando i tentacoli.

un super oceano che circondava tutto il supercontinente Pangea

un tipo di sedimento che consiste in minerali solubili in acqua depositati dopo concentrazione e cristallizzazione per evaporazione da una soluzione acquosa

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