Sui fossili

giorgiorst@gmail.com

La fossilizzazione è un fenomeno naturale che trasforma resti di vita animale o vegetale sotto forma di minerale, permettendogli così di conservarsi, almeno in quel modo, fino a noi. I fossili più frequenti sono quelli degli animali di ambiente marino, come i molluschi, che per lo più sono dotati di un guscio o conchiglia dalle varie forme. Poi ci sono i crostacei (come i granchi o le aragoste), con il loro scheletro esterno o carapace, anch'esso più facilmente conservabile allo stato fossile. Inoltre sono piutttosto comuni i cosiddetti echinodermi, come i ricci o le stelle di mare, nonché i coralli. Né mancano anche numerosi vertebrati acquatici, rappresentati da scheletri sia ossei di pesci che cartilaginei di squali; nonché di mammiferi, per lo più appartenenti al gruppo dei cetacei (delfini e balene); e, sebbene più rari, di rettili come le tartarughe. I vertebrati terrestri sono invece i più difficili da trovare, e sono per lo più rappresentati dai resti di quei mammiferi che si rinvengono nelle pianure alluvionali, nelle zone lacustri, nelle cavità di origine carsica (cunicoli e grotte sotterranee, nonché valli superficiali scavate dall'azione erosiva dell'acqua), o anche nelle zone costiere presso le foci fluviali. Infine degni di nota sono pure i microfossili, cioè i resti dei minuscoli organismi unicellulari, invisibili a occhio nudo, che tanta importanza hanno però nella spiegazione della comparsa della vita; nonché i fossili di ominidi e di primitivi esseri umani, che fanno luce sull'evoluzione della nostra specie. Insomma, è facile capire come questi oggetti di pietra racchiudano e rivelino un sapere immenso e straordinario, al quale solo di recente abbiamo avuto accesso, dopo che per millenni su di essi si erano fatte le ipotesi più stravaganti. Ma prima di scendere in tali curiosi particolari sarà bene dire la verità su questo incredibile fenomeno.
Il processo di trasformazione di un organismo vivente in un residuo fossile è un evento estremamente raro e improbabile. Infatti di solito accade che non appena gli animali o le piante muoiono, ne inizia la decomposizione. E sebbene le parti più resistenti, come conchiglie, ossa animali o legno delle piante, si conservino più a lungo dei tessuti molli, pure di solito anch'essi vengono ugualmente disgregati, sia da cause fisico chimiche, come l'azione del vento e dell'acqua, che da cause biologiche, come possono essere gli animali che si nutrono di carogne o i batteri microscopici. Così che in genere un organismo deceduto si disfa completamente, fino a non restarne più niente. La condizione fondamentale affinché esso arrivi a conservarsi come fossile, è che venga sottratto rapidamente agli agenti decomponenti dell'ambiente, prima di tutto all'ossigeno dell'aria, il che è possibile solo se viene sepolto da un sedimento: sabbioso, argilloso o fangoso che sia. Ma questo è un requisito del tutto casuale e fortuito, per cui si capisce come il fenomeno sia raro. Se però tale circostanza si verifica, allora in un processo di milioni di anni, alle opportune condizioni di temperatura e pressione, quel sedimento che, in genere trasportato dalle acque, si era depositato, finisce per consolidarsi e trasformarsi in roccia, insieme all’organismo contenuto al suo interno. Ovviamente non le parti molli, come le viscere o i muscoli, bensì solo quelle dure, come gusci, scheletri, denti e così via. E non solo, perché si trovano tracce fossili anche indirette della vita passata, relative all'attività animale, come uova, nidi, orme, tane, resti fecali e così via. La fossilizzazione è insomma una sorta di mezza immortalità, che non riguarda il futuro, ma solo la memoria di eventi trascorsi in un lontano passato! Il che è ovviamente di estrema importanza, perché è solo grazie ai fossili che si è giunti alla conoscenza vera del mondo terrestre e della vita su di esso. Senza questi "testimoni", infatti, come avremmo saputo per esempio dell'esistenza dei Dinosauri, o di tutte le altre numerosissime forme di vita succedute nel corso dell'evoluzione e ormai scomparse? In nessun modo!
Oggi si sa che esistono vari tipi di fossilizzazione, e dunque vari tipi di fossili. Principalmente il fenomeno si deve alle acque ricche di sali, che, scorrendo sui resti organici sepolti, ne penetrano, impregnandoli di minerale, gli interstizi vuoti delle parti dure del corpo, nonché ne riempiono gli spazi resi liberi dalla scomparsa delle parti molli; al limite fino a sostituire completamente ogni parte dell'organismo originario. In quest'ultimo caso si ha la pietrificazione totale del corpo animale, il cui guscio o scheletro si è trasformato molecola per molecola in calcite (carbonato di calcio) o silice (diossido di silicio) o pirite (solfuro di ferro). Ma altri modi di conservazione possono aversi con l'inglobamento degli insetti nell'ambra (resina vegetale poi solidificata), oppure con la fine accidentale dei mammiferi nei bitumi naturali. O ancora può verificarsi anche la mummificazione spontanea dei resti mortali: sia per congelamento (come hanno subìto i mammut siberiani), che per essiccazione (in genere di piccoli animali disidratati dal caldo secco in caverne ben areate). Ma si trovano pure fossili che sono semplici impronte superficiali degli organismi originari, il calco interno o esterno di esseri che per il resto si sono completamente dissolti. Né si devono infine dimenticare i combustibili fossili, come il carbone, formato da antichi resti vegetali, o il petrolio e il gas naturale, formati dai resti di antichi microorganismi morti e depositati sui fondali marini. Si capisce così che la maggior parte dei fossili non sono più costituiti dal materiale organico originale, di cui hanno conservato tutt'al più, per quanto ricco dei dettagli più minuti, solo l'aspetto primitivo.


Datazione dei fossili e tramite i fossili
La possibilità di calcolare l’età della morte di un reperto fossile permette di sapere al tempo stesso la data di nascita delle roccia che lo contiene. È così la storia scientifica (o scienza storica) della vita risulta legata a doppio filo con quella della Terra , rivelando il nesso inscindibile che c'è tra la biologia della biosfera e la geologia della litosfera, insomma tra gli esseri viventi e il loro ambiente terrestre.
Ebbene, il metodo per eseguire tali misure di tempo è quello della radiodatazione, basato sulle naturali proprietà radioattive di alcuni elementi chimici. La scoperta di tali fenomeni avvenne ai primi del'900, e fu una vera rivoluzione scientifica. Si capì che non esistevano solo reazioni chimiche nella formazione di nuovi composti, consistenti nella modificazione dei legami elettronici tra gli atomi e le molecole dei reagenti; bensì anche reazioni nucleari, nelle quali sono invece gli stessi nuclei atomici a modificarsi, da soli e spontaneamente, causando la trasformazione di un elemento in un altro. Sono note le enormi conseguenze di tale scoperta, in particolare le sue applicazioni militari (le bombe nucleari) e sanitarie (la medicina nucleare); ma non meno importante è stata la conseguenza dei fenomeni radioattivi per lo sviluppo delle scienze naturali, poiché hanno appunto permesso di datare reperti fossili e geologici anche antichissimi. Ma cerchiamo di vedere per sommi capi cosa significa. Ora, occorre sapere che ogni atomo è formato da un nucleo, contenente protoni (positivi) e neutroni (cioè neutri, senza carica); nonché da un numero di elettroni (negativi) che gli orbitano intorno. Appunto con gli elettroni che entrano in gioco appunto nelle reazioni chimiche, e i nuclei che sono invece coinvolti nelle reazioni nucleari. Ebbene, ciò che distingue ciascun atomo da ogni altro è il numero dei suoi protoni, indicato dal numero atomico, che è invariabile. Invece la somma del numero di protoni più quello dei neutroni presenti nel nucleo ci dà il numero di massa di ciascun elemento. Il quale può invece variare per uno stesso atomo. Infatti ogni elemento esiste in natura come miscela di isotopi, che sono diverse forme possibili dell'atomo di uno stesso elemento chimico, la cui differenza risiede appunto nel numero di neutroni contenuti nel nucleo di ciascuno.
Facciamo l'esempio del carbonio (simbolo C), non a caso, poiché si tratta dell'elemento fondamentale della vita. Ebbene questo atomo ha sei come numero atomico, cioè nel suo nucleo siano presenti sei protoni. Solo che di questo elemento esistono in Natura tre isotopi, con tre diversi numeri di massa: il carbonio 12 (12C), il cui nucleo è formato da sei protoni e sei neutroni (presente per quasi il 99% del totale); il carbonio 13 (13C), con sei protoni e sette neutroni; e il carbonio 14 (14C), con sei protoni e otto neutroni. Si tratta sempre di carbonio, poiché in tutti e tre i casi il numero atomico (cioè il numero di protoni) è sei, e dunque le proprietà chimiche dell'elemento sono sempre le stesse. Invece sono mutevoli le proprietà fisiche, come il peso e la stabilità dell'atomo. Infatti dei tre isotopi i primi due sono stabili, mentre il carbonio 14, quello più pesante perché contiene più neutroni degli altri, si caratterizza al contrario proprio per la sua instabilità. E tale carattere si manifesta come radioattività, ossia come emissione radioattiva di una particella (in questo caso di un elettrone) da parte dell'atomo; proprio perché così esso, diminuendo la sua energia, tende spontaneamente a raggiungere una condizione stabile. In questo processo, che viene detto decadimento radioattivo, succede che uno dei neutroni del nucleo si converte in protone, sicché il numero atomico sale da sei a sette, così che l'atomo di carbonio si trasforma in azoto (simbolo N), che ha appunto numero atomico uguale a sette. Quello stesso azoto dal quale del resto il 14C viene prodotto con la reazione inversa. Infatti il carbonio radioattivo si forma negli strati più alti dell'atmosfera, dove i raggi cosmici producono e liberano neutroni che vengono assorbiti proprio dall'azoto, il quale in conseguenza emette un protone, trasformandosi appunto nel radiocarbonio. Questi a sua volta reagisce con l'ossigeno dell'aria a formare anidride carbonica radioattiva, che, come quella normale, entra nel ciclo della vita vegetale e animale, sebbene in quantità minime. Tutti gli organismi scambiano infatti continuamente carbonio con l'atmosfera, sia attraverso i processi di fotosintesi clorofilliana, che con la respirazione e alimentazione animale. Quindi è proprio nei tessuti di ogni essere vivente che si trova una seppur minima percentuale di carbonio radioattivo. Il quale come tale tende naturalmente a decadere e a trasformarsi in azoto, ma che viene anche continuamente sostituito e riassimilato dall'organismo nello svolgimento delle proprie funzioni vitali. Così che per tutta la vita la concentrazione di radiocarbonio si mantiene la stessa, in un rapporto costante con la quantità del carbonio normale.
Le cose cambiano invece con il sopragiungere della morte. A quel punto infatti il radiocarbonio che decade in azoto non viene più sostituito dall'organismo, e quindi la sua quantità diminuisce sempre più. Però questo decadimento definitivo non avviene a caso, bensì segue una precisa legge naturale, secondo la quale il 14C ha un periodo di dimezzamento fisso e costante, indipendente da qualsiasi fattore esterno, fisico o chimico che sia. Vale a dire che, qualsiasi sia l'organismo considerato, dopo la sua morte il radiocarbonio in esso contenuto diminuisce della metà sempre nello stesso giro di 5730 anni. Trascorso questo periodo poi, la metà di isotopi radioattivi rimasta si dimezza di nuovo in un altro uguale numero di anni, sicché dopo 11460 anni il radiocarbonio si riduce a metà della metà, ossia a un quarto di quello iniziale; e così via, fino alla sua scomparsa totale. Con la regola che, per quanto piccola sia la quantità di isotopi radioattivi rimasti, il suo tempo di dimezzamento è sempre quello, secondo quella che si definisce una diminuzione temporale esponenziale.
E allora qual'è la conclusione. Che, sapendo qual'è il rapporto tra carbonio normale e radiocarbonio presente in un organismo vivente, potendo misurare la quantità di radiocarbonio ancora presente sui resti mortali di un qualsiasi essere, ed essendo noto il suo tasso naturale di decadimento, con due calcoli è possibile scoprire da quanto tempo è sopragiunta la morte, e dunque risalire a quale età quei resti sono appartenuti. Si capisce anche come, visto il tempo di dimezzamento del radiocarbonio, l'applicazione di questo metodo non possa risalire alla datazione di oggetti più antichi di 50 - 60 mila anni, quando l'isotopo radioattivo è ridotto ormai a circa un millesimo di quello che era al momento della morte dell'organismo.
Ma tutto sommato questi sono tempi piuttosto brevi, se paragonati a quelli geologici. E infatti tutto questo discorso non riguarda solo il carbonio, perché sono molti altri gli isotopi radioattivi presenti in Natura. E anzi, tra quelli usati per la datazione radiometrica il 14C è quello che ha il tempo di dimezzamento più veloce, per cui arriva a misurare solo i tempi più prossimi a noi, quelli relativi appunto ai fenomeni biologici. Laddove esistono svariati altri isotopi che, pur essendo radioattivi, sono però molto più stabili del carbonio, e dunque hanno tempi di decadimento ben più lunghi. Così che, pur con lo stesso meccanismo, rendono però possibili datazioni su scala geologica, che riescono a risalire fino a milioni e anche miliardi di anni fa. E questo è il caso dell'uranio (simbolo U), l'elemento usato proprio per calcolare tempi lunghissimi come l'età della Terra. Ebbene questo atomo ha numero atomico 92, e dunque è ben più pesante del carbonio, e però come questo si presenta in una miscela di tre isotopi: 234U, 235U, e 238U. In questo caso sono tutti e tre radioattivi, sebbene in misura diversa, e comunque per la radiodatazione si usa l'uranio 238, quello più abbondante (più del 99%) e a decadimento più lungo. Il cui tempo di dimezzamento di una sua qualsiasi quantità (per esempio da un chilo a mezzo chilo) è infatti di ben quattro miliardi e mezzo di anni! Si badi solo che esistono anche altri elementi radioattivi che, per diminuire della metà la loro massa, richiedono tempi ancora più lunghi, come il torio (quasi 14 miliardi di anni) e il rubidio (47 miliardi)! Ebbene, come abbiamo visto il radiocarbonio trasformarsi in azoto, così l'uranio si trasforma in piombo (Pb). Con la differenza che mentre il decadimento del carbonio avviene direttamente, con un solo passaggio, quello dell'uranio richiede invece ben tredici passaggi attraverso tutta una serie di isotopi radioattivi intermedi, ogni volta con una nuova emissione di particelle, prima di trasformarsi nel piombo finalmente stabile. Il che aumenta evidentemente la complessità del fenomeno, e ne spiega altresì la lunghissima durata. Tuttavia per la datazione geologica sono solo le concentrazioni di uranio e piombo ad essere misurate e confrontate. E se per esempio in un campione esse risultano uguali, vuol dire che metà dell'uranio si è trasformato, e dunque che quella roccia ha un'età di appunto 4,5 miliardi di anni. Se invece il piombo fosse in concentrazione minore allora la roccia sarebbe più giovane, e così viceversa. Ma, in qualsiasi momento si faccia la misurazione, la somma della quantità di uranio e di quella del piombo sarà sempre uguale alla quantità dell'uranio iniziale, per cui non si può sbagliare. Proprio con questo metodo l'americano Clair C. Patterson negli anni Cinquanta del secolo scorso ha calcolato per primo la giusta età della Terra, che poi corrisponde a quella di tutto il restante Sistema solare. Costui ebbe l'idea di misurare le concentrazioni di uranio e piombo presenti nei meteoriti, anch'essi aventi la stessa età del Sole e dei pianeti, che risultò essere proprio di 4,5 miliardi di anni.
Ma con ciò non si era che all'inizio di una lunghissima storia, della quale si trattava a quel punto di illustrare le vicende, cioè le trasformazioni che il pianeta ha subìto durante tutto questo tempo. Da un pezzo si supponeva che i vari strati della crosta terrestre fossero disposti ordinatamente, con quelli più antichi disposti più in basso. Ma poi ci si rese conto che in molti casi i rivolgimenti furono tali da rimescolare ogni volta i vari materiali successivamente depositati, mettendo così in dubbio l'attendibilità di quel presupposto. E proprio l'ausilio dei fossili ha permesso un criterio sicuro per definire l'esatto periodo di formazione dei vari strati, indipendentemente dalla loro posizione attuale. Perché la storia della vita è orientata e procede in un'unica e irreversibile direzione, con le specie che compaiono e si estinguono una volta per sempre; laddove la storia della Terra è invece caratterizzata da fenomeni che possono appunto ripetersi anche ciclicamente. Così si è arrivati a scoprire l'esistenza di fossili particolari, che in genere hanno avuto una larga e abbondante diffusione, però in un breve periodo di esistenza, avendo subìto una precoce estinzione. Ebbene di tali reperti, chiamati fossili guida, se ne sono trovati e catalogati di tutte le età, sicché a quel punto è bastato il loro ritrovamento a determinare con sicurezza la data di nascita delle rocce in cui sono contenuti, prescindendo dalla loro composizione, dalla loro profondità o dalla loro posizione geografica. Ed è proprio grazie a questi fossili guida che è stato possibile fare quella suddivisione dei tempi geologici nelle varie ere, epoche e periodi che conosciamo oggi. E per quanto ciò sia molto importante, ancora non è tutto, perché i fossili non funzionano solo come indicatori temporali, bensì anche ambientali, perlomeno in alcuni casi. Ci rivelano cioè le caratteristiche dell'ambiente in cui sono vissuti. Per esempio una cozza fossilizzata indica che ai suoi tempi in quel luogo c'era un mare poco profondo e luminoso, probabilmente una linea di costa; oppure un corallo attesta acque basse e calde, un anfibio un ambiente palustre, un mammut una steppa artica, eccetera.