Ambra Introduzione Fossile è un termine che deriva dal latino foedére che significa “scavare” e, pertanto, indica ciò che si ottiene o si recupera scavando, oggi viene usato per indicare tutti quei resti di organismi animali e vegetali, vissuti nel passato (comprese le tracce della loro attività), che si sono conservati fino a oggi grazie ad una serie di fenomeni chiamati “processi di fossilizzazione”. La scienza che si occupa dello studio dei fossili, cioè dello studio della vita del passato viene definita paleontologia. I quesiti che lo studio dei fossili ha sollevato e solleva tuttora sono innumerevoli, per tentare di rispondere è necessario far riferimento ad altre scienze come la zoologia, la botanica, la biologia e soprattutto la geologia, dalla quale la paleontologia è indissociabile. La paleontologia è dunque una disciplina altamente integrata sia con le scienze geologiche che con quelle biologiche, ed è stata definita come paleobiologia, cioè studio comprensivo di tutti gli aspetti geologici e biologici della storia della vita. Proprio per questa ragione, per poter affrontare questo argomento è necessario che gli studenti conoscano per quanto concerne l’ambito biologico i concetti principali riguardanti la cellula e l’origine della vita, il concetto di specie e le regole per la classificazione; per quanto concerne l’ambito geologico i principali concetti inerenti i minerali, le rocce e la loro suddivisione nei tre tipi fondamentali: magmatiche, metamorfiche e sedimentarie.     Sommario Lo studio dei fossili nella storia I processi di fossilizzazione I fossili e l’evoluzione Datazione con i fossili Bibliografia

Lo studio dei fossili nella storia

La storia della paleontologia è caratterizzata da due teorie: la genesi inorganica e la genesi organica dei fossili.
La teoria della genesi inorganica risale ad Aristotele (384-322 a.C.) ed al suo allievo Teofrasto (368- 284 a.C.) a cui si deve il primo trattato sui fossili, che traeva fondamento dalla teoria della generazione spontanea della vita. Si credeva nell’esistenza di una forza particolare (vis plastica) capace di plasmare gli esseri viventi: gli oggetti estratti dalle rocce, a forma di animale o di pianta, rappresentavano i tentativi non riusciti di tale forza. Questa teoria fu completamente abbandonata nei primi decenni del 1700.
La teoria della genesi organica, ammessa da alcuni autori già prima di Aristotele, interpretava i fossili come resti di organismi marini depositati sul fondo del mare. Ma i fossili erano stati oggetto di curiosità e attenzione anche da parte dei primi filosofi e naturalisti greci: Senofane (VI sec. a.C.) per esempio fu il primo autore che osservò la presenza di conchiglie e impronte di pesci sulle montagne di alcune isole e nei dintorni di Siracusa. Pitagora (VI sec. a.C.) interpretò la presenza di conchiglie sulle montagne come prova che un tempo esse erano state sommerse. Il riferimento più­ chiaro e facilmente reperibile è tuttavia quello di Erodoto (IV sec. a.C.) che, notando la presenza di conchiglie marine nell’entroterra egiziano, concluse che vi erano state deposte dal mare che un tempo doveva aver invaso quelle aree. La teoria dell’origine organica dei fossili si affermò soprattutto grazie ai sostenitori del Diluvio Universale, che postulava la presenza di conchiglie e di altri resti di organismi marini sulle colline come prova di tale evento e quindi come argomentazione della veridicità del racconto biblico. Questa concezione persistette fino al ‘700, benché nel corso dei secoli si siano levate voci contrarie, come le luminose intuizioni dei filosofi Agostino (354-430 d. C.) e Tommaso d’Aquino (1226-1274), che contemplavano l’ipotesi che i fossili fossero la conseguenza di fenomeni evolutivi.
Anche negli scritti del medico e filosofo arabo Avicenna (980- 1037) non esiste alcun accenno alla teoria diluviana: i fossili sono resti di antichi organismi. Il suo pensiero, tuttavia, venne travisato dai Padri della Chiesa che scambiarono, ad esempio, la sua descrizione dell’azione incrostante delle sorgenti calcaree per un riferimento alla teoria della vis plastica di matrice aristotelica.
La prima interpretazione razionale dei fossili nel contesto di un modello paleoambientale e geologico si deve a Leonardo Da Vinci (1452-1519). Una delle maggiori difficoltà della teoria organica era, evidentemente, quella di interpretare correttamente quei fossili che non presentavano alcuna analogia con gli animali viventi allora conosciuti, come ad esempio le ammoniti. Fabio Colonna, fra i più autorevoli sostenitori dell’origine organica, fu forse il primo autore (1616) che mise in relazione e iconografò insieme le forme fossili e quelle viventi più affini, utilizzando la stessa nomenclatura.
John Ray il più grande naturalista del ‘600 arrivò ad ammettere l’origine organica dei fossili, considerando anche la possibilità di fenomeni di estinzione. Il concetto di estinzione era evidentemente molto “pericoloso”, in quanto in quel periodo equivaleva  ad ammettere che il Creato non fosse perfetto. Robert Hooke fu probabilmente il primo autore che ammise ufficialmente l’instabilità della crosta terrestre con grandi variazioni paleogeografiche, da lui attribuite a terremoti e vulcanesimo. Su questa base egli giustificò sia la presenza di fossili sulle montagne che i fenomeni di estinzione e la possibilità di comparsa di specie nuove.

George Cuvier

Con l’inizio del ‘700 il dibattito sull’origine dei fossili era ormai terminato con il pieno superamento della tesi dell’origine inorganica.La nascita della paleontologia si può far risalire a George Cuvier (1769-1832), profondo conoscitore di anatomia animale, il quale enunciò la fondamentale legge della correlazione degli organi: è possibile riconoscere la natura degli animali fossili (se erbivori o carnivori, bipedi o quadrupedi, marini o terrestri ecc.) e spesso anche ricostruire il loro aspetto partendo da piccoli frammenti o parti isolate del loro scheletro. Egli, non  concependo una mutazione progressiva delle diverse forme di fauna, ha sempre invocato la sua teoria catastrofica, secondo cui catastrofi generali avevano distrutto di volta in volta la vita di determinate regioni, le quali erano state ripopolate dalla migrazione di organismi provenienti da aree limitrofe.
Fu solo con Darwin (1809-1882) e la sua teoria dell’evoluzione che si affermò la paleontologia moderna.
Verso la metà dell’800 Il problema del tempo geologico era ben sentito sia dai biologi che dai geologi, quali Charles Lyell (1797-1875) che portò avanti la teoria geologica dell’attualismo: i fenomeni del passato si possono spiegare osservando quelli del presente. Essenzialmente l’attualismo vuole spiegare l’evoluzione del pianeta attraverso l’accumularsi nel tempo di tanti piccoli eventi dovuti a processi analoghi a quelli che si osservano oggi, come erosione, sedimentazione, eruzioni vulcaniche e terremoti. Darwin (1809-1882) ed i biologi evoluzionisti avevano bisogno di tempi geologici lunghi, affinché il lento meccanismo della selezione naturale potesse essere accettato come causa adeguata ed efficiente dell’evoluzione biologica, e l’attualismo ben si conciliava con queste esigenze di tempo.
I geologi e i biologi dunque ammettevano tempi  geologici lunghi per spiegare l’evoluzione della Terra e della Vita, ma i fisici, così come la cultura “ufficiale”, contrastarono fermamente questa ipotesi, specialmente dopo la teoria formulata dall’illustre fisico William Thomson, Lord Kelvin, negli anni 1860-69. Egli attaccò la teoria dello stato stazionario, cioè l’attualismo–uniformismo, dei fenomeni terrestri proposta da Lyell, sulla base delle leggi della termodinamica note, che regolavano lo scambio di calore tra corpi di diversa Temperatura.  Kelvin calcolò che da quando la Terra era stata una sfera di roccia fusa, raffreddatasi nel tempo, potevano essere passati tra i 24  e i 400 milioni di anni; la geologia  di Lyell esigeva un tempo enormemente più grande: oltre i cinque miliardi. Ma con questo tempo, secondo Kelvin, la Terra sarebbe stata completamente fredda e non avrebbe potuto dissipare ancora calore, come invece avveniva. Così Kelvin usò il raffreddamento della Terra per dimostrare che non c’era la possibilità che fosse vecchia come la geologia di Lyell e l’evoluzione di Darwin richiedevano.
La controversia sull’età della Terra si risolse pochi anni più tardi, agli inizi del ’900, grazie alla scoperta della radioattività come fonte di energia. Circa dieci anni dopo la scoperta della radioattività, Ernest Rutherford (1871-1937) arrivò alla conclusione che i processi di decadimento radioattivo potevano essere utilizzati per determinare l’età della Terra.

1. morte degli organismi,
2. storia dei resti fino al seppellimento (biostratinomia),
3. seppellimento definitivo,
4. fossilizzazione.

Uno degli aspetti più importanti messi in luce dallo studio dei fossili è che nelle passate ere geologiche sono vissuti animali e piante diversi da quelli attualmente viventi e che più volte, passando da uno strato ad un altro, le antiche faune e flore sono mutate radicalmente (con estinzioni e comparsa di nuove specie). Georges Cuvier, come abbiamo già visto, tentò di spiegare questo fenomeno con la teoria del catastrofismo: la storia della terra sarebbe passata attraverso una serie di grandi catastrofi naturali, tante quante le faune estinte individuate. Poiché al suo tempo si riteneva che le specie fossero entità statiche, non soggette a mutamenti (teoria del fissismo), ad ogni catastrofe doveva essere seguito un nuovo atto creativo divino. Questa teoria, che cercava di conciliare le osservazioni paleontologiche con le tradizioni bibliche, fu osteggiata dal naturalista francese Jean Baptiste de Lamarck (1744-1829), il quale enunciò l’ipotesi del trasformismo: le specie non sono entità statiche, ma mutano con il tempo, e la causa del loro mutamento è l’ambiente in cui vivono. Esse, nel tentativo di adeguarsi sempre più all’ambiente, finiscono per modificare completamente la propria anatomia e struttura. Classico, al riguardo, è l’esempio della giraffa: i suoi antenati avevano il collo corto, ma nello sforzo di raggiungere le foglie sempre più alte degli alberi di cui si nutrivano, il loro collo ad ogni generazione si allungava sempre di più, e questo carattere veniva trasferito ai figli.
Quasi un secolo dopo, il grande naturalista inglese Charles Darwin (1809-1882) elaborò la teoria dell’evoluzionismo che, sia pure con qualche modifica, è quella attualmente accettata. Ancora giovane, egli partì per un lungo viaggio intorno al mondo durante il quale, tra l’altro, ebbe modo di studiare in Patagonia i resti di enormi mammiferi estinti, anatomicamente simili a quelli più piccoli che vivevano là, e di osservare che le specie non erano così distinte come si pensava. Notò infatti delle variazioni graduali nelle caratteristiche delle piante e degli animali, che sembravano il frutto di modificazioni operate nel tempo sugli organismi per adattarli agli ambienti in cui vivevano e alle relazioni con gli altri organismi.
La differenza più importante fra i due modelli è che per Lamarck l’influenza diretta dell’ambiente porta l’animale a sviluppare le caratteristiche che lo rendono più adattabile e che vengono poi ereditate dalle generazioni successive, per Darwin invece l’ambiente non modifica l’individuo, ma si limita a selezionare le modificazioni già esistenti in una popolazione. Secondo Darwin nell’ambito di una specie c’è una notevole variabilità di caratteristiche, di tanto in tanto e casualmente compare un individuo con delle caratteristiche particolari – che oggi sappiamo frutto di una mutazione genetica – le quali sono quasi sempre ad esso sfavorevoli, mettendolo in svantaggio nella lotta per la sopravvivenza, ma che in qualche caso, tuttavia, possono essere vantaggiose: l’individuo che le possiede ha quindi più probabilità di sopravvivere e di trasmetterle alle generazioni successive. Esiste cioè una selezione naturale, che porta alla scomparsa degli individui portatori di caratteristiche sfavorevoli alla sopravvivenza nell’ambiente, ed aumenta le probabilità di sopravvivenza e trasmissione delle proprie caratteristiche per gli individui che possiedono quelle favorevoli. In tal modo, attraverso selezioni successive, una specie modifica e la sua anatomia e la sua struttura fino a che si trasforma in una nuova specie.
La paleontologia fornisce le prove più forti a sostegno dell’evoluzione: i fossili rivelano che in nessun momento tutte le specie vissute sulla terra sono coesistite e che gli organismi antichi erano in vario grado dissimili dalle forme attuali. Inoltre piante e animali appaiono in successione cronologica nelle testimonianze fossili, indicando che le linee si sono irradiate attraverso il tempo. Un esempio è l’evoluzione dei proboscidati, in cui si è riscontrato un progressivo aumento delle dimensioni, che ha portato a variazioni dello scheletro; in particolare, la struttura cranica divenne sempre più adatta all’assunzione di grandi masse di cibo: mascelle sempre più grandi, sempre maggiore sviluppo del cranio soprattutto in altezza.

I paleontologi hanno potuto dimostrare che risalendo a ritroso le sequenze stratigrafiche si vede che gruppi diversi di organismi hanno antenati comuni con caratteristiche intermedie, e che le diversità tra gli organismi diminuiscono. Tutta la straordinaria varietà di esseri viventi che oggi popolano la terra è il frutto di 3,5 miliardi di anni di evoluzione iniziata partendo da microscopici organismi unicellulari: i batteri. Non sempre però la selezione naturale produce la speciazione, può anche avere un effetto stabilizzante: se una specie è ben adattata ad un particolare ambiente e questo rimane inalterato per lunghissimo tempo, le mutazioni che possono comparire sono sempre sfavorevoli, sicché la specie si mantiene praticamente invariata, anche per milioni di anni. Il nome di fossile vivente viene dato a quegli antichissimi organismi che sono sopravvissuti in questo modo fino ai nostri giorni. È il caso ad esempio della gimnosperma  Gingko biloba.

Fossile di Gingko biloba

Gingko biloba

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Datazione con i fossili

La stratigrafia studia le caratteristiche delle varie formazioni rocciose che  costituiscono la parte superficiale della crosta terrestre, la loro successione nel tempo e le relazioni con l’evoluzione del clima, della biosfera, dell’idrosfera, dell’atmosfera. I criteri per stabilire l’età relativa delle rocce sono principalmente quello stratigrafico (o litostratigrafico) e quello paleontologico (o biostratigrafico).
Il primo è basato sui rapporti reciproci di posizione fra gli strati, il secondo si basa sul contenuto fossilifero. Le rocce più utilizzate per la datazione relativa sono quelle sedimentarie, che oltre ad essere molto diffuse, sono particolarmente interessanti per tre ragioni:

1. forniscono indicazioni sugli ambienti geografici, sul clima e sui fattori esogeni che hanno determinato la loro formazione;
2. sono quasi sempre stratificate, e questa loro caratteristica permette di stabilire più facilmente l’ordine di formazione;
3. spesso contengono fossili, cioè resti o tracce di organismi vissuti in passato.

L’insieme dei caratteri litologici e delle associazioni di fossili animali e vegetali che una formazione rocciosa presenta, e che permette di ricostruire l’ambiente in cui essa si è formata, è detto facies.
Il criterio litostratigrafico si basa sul principio di sovrapposizione introdotto da Stenone nel XVII secolo: ogni strato sedimentario è più recente di quello su cui giace. Ovviamente questo principio non è più valido quando gli strati sono stati verticalizzati o rovesciati dalla deformazione tettonica.
Il criteri biostartigrafico come abbiamo visto prevede l’utilizzo di fossili per  attribuire un’età relativa agli strati, ma non tutti i fossili sono ugualmente idonei allo scopo. I migliori sono quelli che possiedono contemporaneamente i seguenti tre requisiti:

1. distribuzione verticale più limitata possibile: cioè è necessario che una specie si trovi in un piccolo numero di strati e quindi sia vissuta per un breve tempo geologico. I fossili migliori sono quelli di specie appartenenti a gruppi che si sono evoluti molto rapidamente.
2. distribuzione geografica più ampia possibile: un fossile che si trovi contemporaneamente in Europa e in Nordamerica permetterà di correlare tra loro le età degli strati a livello intercontinentale e quindi di stabilire cosa avveniva nello stesso periodo in aree diverse della terra. Se non si possono correlare tra loro le età delle sequenze stratigrafiche presenti in varie località, non si può neppure ricostruire la storia della terra;
3. facilità di rinvenimento e riconoscimento: un buon fossile deve essere comune, cioè si deve trovare con facilità negli strati e deve avere caratteristiche tali che ne permettano una facile identificazione. Gli organismi marini sono più diffusi di quelli terrestri e, tra quelli marini, gli invertebrati sono più diffusi dei vertebrati. Per questo motivo le unità geocronologiche sono state definite usando invertebrati marini.

Un fossile che presenta tutti questi requisiti viene detto fossile-guida ed è particolarmente idoneo alla datazione relativa degli strati.
Sullo studio dei fossili guida si basa il principio dell’equivalenza cronologica, secondo il quale due strati sedimentari che, pur essendo situati in località diverse, contengono gli stessi fossili guida, si sono formati nel medesimo intervallo di tempo, sono cioè cronologicamente equivalenti. Tra i più importanti “fossili guida” ricordiamo i trilobiti (forme primitive di crostacei) e i graptoliti (individui coloniali di incerta classificazione) che sono utilizzati nelle suddivisioni del Paleozoico, le ammoniti e le belemniti (cefalopodi) per il Mesozoico, in particolare le belemniti e le rudiste (molluschi) per il Cretaceo, i bivalvi e i foraminiferi (protozoi) per il Cenozoico. Litostratigrafia e biostratigrafia sono inoltre affiancate per lo studio stratigrafico fa metodologie riguardanti le caratteristiche fisico-chimiche delle rocce, fra cui la datazione assoluta delle rocce basata su metodo radiometrico. Grazie all’integrazione di tutti questi metodi, fra cui la biostratigrafia ha un ruolo decisivo, nel corso di oltre un secolo e mezzo di studi si è giunti a una datazione soddisfacente delle diverse serie rocciose terrestri, ed è stato cosi possibile ricostruire la storia della Terra.

Foraminiferi	Trilobiti
Belemniti	Graptoliti
schema dei Belemniti	shema dei Graptoliti

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