Sedimenti naturali e strutture fossili

Se vogliamo cercare testimonianze di vita passata sulla Terra non c’è che l’imbarazzo di dover scegliere dove guardare. Fossili di animali preistorici, piante e di più semplici forme di vita sono state trovate ovunque si sia guardato; dopotutto questo è un pianeta che la vita ha modellato a suo piacimento per almeno tre miliardi e mezzo di anni. È questo, un vastissimo spazio che sta al confine tra la geologia e la biologia, difficile da interpretare ma anche ricco di sorprese.

img_6764_a

Figura 1:
La Scala dei Turchi in comune di Realmonte (AG) in Sicilia. La bizzarra struttura naturale è composta da marna, una roccia sedimentaria di natura calcarea e argillosa, avente un caratteristico colore bianco puro. Credit: Il Poliedrico

Sezione trasversale di una roccia che mostra i sedimenti organici fossili al suo interno. Crfedit: : Nora Noffke, Daniel Christian, David Wacey, and Robert M. Hazen/Astrobiology

Figura 2:
Sezione trasversale di una roccia mostra i sedimenti organici fossili al suo interno.
Credit: : Nora Noffke, Daniel Christian, David Wacey, and Robert M. Hazen/Astrobiology

La vita nell’Archeano

Se voi avreste visitato la Terra durante l’Archeano, avreste trovato la Terra dominata da innumerevoli vulcani attivi. Il cielo vi sarebbe apparso di colore arancione a causa dell’alta concentrazione di metano nell’atmosfera mentre le acque degli oceani poco profondi che coprivano gran parte della superficie del pianeta avrebbero avuto una leggera sfumatura verde per i microrganismi che avevano appena imparato a vivere sui litorali, e che poi sarebbero diventati le stromatoliti e le tromboliti che vediamo oggi.
La Luna vi sarebbe apparsa molto più grande e le sue maree gigantesche, perché il satellite era allora molto più vicino. Il Sole era invece un po’ più piccolo e fresco, ma a riscaldare l’ambiente c’avrebbero pensato i vulcani e l’effetto serra…

All’inizio della storia sulla Terra era presente solo roccia magmatica, quella che costituisce ancora oggi almeno il 65% della crosta del pianeta. Adesso invece, almeno il 75% della superficie del pianeta è rivestito da uno strato sottilissimo di roccia di tipo sedimentario, cioè originato da sedimenti. Questi sedimenti sono prodotti dalla rimodellazione continua della crosta terrestre da parte dell’atmosfera e dell’idrosfera (processi abiotici), e dalla biosfera.
Esempi tipici di roccia sedimentaria sono le arenarie, le brecce e i conglomerati. La loro genesi è dovuta a processi di erosione, deposito e successivo  compattamento di frammenti più o meno grandi di altre rocce preesistenti.
Altri esempi di processi di sedimentazione sono quei sedimenti prodotti da soluzioni (tipicamente acqua) sature di minerali di carbonato (CO 3 2- ) come la calcite, l’aragonite e la dolomite.
Va da sé che i processi biologici dominanti sul nostro pianeta hanno lasciato ben poche strutture sedimentarie ancora non contaminate dalla loro presenza.

Le strutture sedimentarie legate alla biosfera sono prodotte da colonie di microrganismi che interagiscono con i sedimenti di origine naturale (abiotici) come quelli descritti prima. Queste colonie, molto spesso bentoniche 1, che possono essere composte da batteri, alghe, protozoi, archaea etc.,  si dispongono lungo il piano orizzontale 2 dando luogo a film microbici e altre sostanze polimeriche extracellulari (EPS) 3. Queste strutture poi danno origine alle microbialiti. L’ammassarsi di queste stuoie microbiche in presenza di carbonato produce quelle strutture sedimentarie note come stromatoliti [1]  4  5.

Invece, con l’assenza della precipitazione dei carbonati o di altri minerali e la stratificazione delle stuoie microbiche si hanno quelle che gli anglofoni chiamano MISS (Microbially induced sedimentary structures), in italiano Strutture Sedimentarie Indotte Microbiologicamente (figura 2) [2] 6.

Sebbene entrambe le strutture principali dei sedimenti fossili (stromatoliti e MISS) abbiano come origine i tappeti microbici, le MISS sono generalmente associate a fenomeni di superficie e la sostanziale assenza di strati sovrapposti.
Le stromatoliti – e le tromboliti – invece hanno una terza dimensione pronunciata, dovuta alla precipitazione minerale e alla cementazione di stuoie microbiche impilate una sull’altra. Queste si sviluppano principalmente in ambienti ricchi di calcio e di bicarbonato, di solito in ambienti marini soprattutto alle basse latitudini.
le MISS si verificano  piuttosto in ambienti – sia marini che terrestri –  evaporitici 7 e poveri di carbonati che sono più frequenti alle latitudini più elevate,.
Sia le MISS che le  stromatoliti sono quindi tra le più antiche testimonianze della vita sulla Terra. La loro distribuzione temporale va dal primo Archeano fino ai giorni nostri  ed interessa un po’ tutti i processi sedimentari presenti nelle piane di marea, lagune, spiagge fluviali, laghi, etc.. Le stromatoliti rinvenute mostrano anche che vi fu un grande incremento nelle diversità morfologiche durante il Proterozoico, soprattutto verso la fine del Mesoproterozoico (1,3 miliardi di anni fa). Queste diversità probabilmente riflettono interazioni tra le stuoie microbiche e organismi non microbici più evoluti.

La regione Pilbara, nell’Australia Occidentale, a destra una MISS di 3,5 Gyr fa rinvenuta nello stesso sito da Nora Noffke. 
[showmap name=’Pilbara’] 1113-fossil-rock

I resti più antichi risalgono fino a 3,2 miliardi di anni fa, mentre il più antico deposito sedimentario biologico è stato rinvenuto nella regione di Pilbara, in Australia, e fatto risalire al primo Archeano (circa 3,48 miliardi di anni fa).  Questo dimostra che già in quel periodo la vita procariotica era capace di organizzarsi in strutture evolute 8 [3].

Purtroppo, i fenomeni di mineralizzazione inorganica intorno ai modelli microbici tendono a degradare e pian piano sostituire le strutture biologiche preesistenti. Anche le strutture EPS vengono degradate e sostituite da minerali argillosi. Dopo che i materiali microbici sono scomparsi, il carbonio e il calcio rimasti creano microcristalli di aragonite all’interno delle strutture che un tempo erano corpi viventi , fino a sostituire del tutto  le caratteristiche impronte biogene.
A questo punto resta da spiegare come è possibile  riconoscere un deposito sedimentario naturale da uno di origine biologica quando ormai dopo miliardi di anni ogni molecola biologica stata estratta e degradata dall’ambiente. Semplicemente dalla complessità della struttura minerale rimasta.
Una formazione naturale per quanto complessa essa sia, è pur sempre dominata da una totale casualità nelle forme, dimensioni e struttura. Al contrario, una struttura di origine biotica, anche se completamente mineralizzata e alterata da condizioni ambientali avverse, manterrà comunque molti degli schemi e delle complessità proprie della struttura biologica originaria.

 


Note:

Note:

  1. Benthos deriva dal greco βένϑος  che significa abisso. Indica una nicchia ecologica che comprende gli organismi acquatici che vivono sui fondali o a diretto contatto col substrato solido di qualsiasi ambiente acquatico.
  2. Mentre la forma specifica di un qualsiasi sedimento riflette l’informazione genetica combinata di tutti i microrganismi della stuoia microbica, la forma generale è invece modulata dall’ambiente, come le onde e le correnti. Questa interazione con l’ambiente esterno permette al biofilm  di tessere un’impronta, una sorta di topografia, del luogo i cui si trova. È attraverso queste ‘cartine fossili’  che oggi si possono studiare le geografie di momenti così remoti nel passato.
  3. Le Sostanze Polimeriche Extracellulari sono componenti della struttura del fiocco di fango attivo e rappresentano l’essenza della cellula batterica stessa. Essenzialmente sono biopolimeri prodotti dall’attività di secrezione dei microrganismi attraverso la loro superficie a seguito di un processo di lisi cellulare o derivanti dall’assorbimento di materiale organico dall’ambiente. Le EPS sono composte quindi da proteine e carboidrati unite a sostanze prodotte dalla biodegradazione di materia organica, acidi uronici e acidi nucleici in minore quantità. Essi possono trovarsi sotto forma di fiocchi o biofilm.
  4. Dal greco στρῶμα che significa strato e λίθος che significa pietra. Il termine fu coniato nel 1908 dal geologo tedesco Ernst Kalkowsky che per primo comprese la reale natura di questi fossili attribuendoli a resti fossili del ciclo vitale di niedriger Planzen (piante inferiori).
  5. Tecnicamente, le stuoie microbiche sono biofilm, ma di dimensioni molto più estese e complesse. I biofilm sono comunità microbiche altamente organizzate di molti microrganismi diversi come cianobatteri, batteri, archea e microrganismi eucariotici unicellulari quali diatomee, funghi, etc. Anche se apparentemente possono sembrare un ammasso casuale di microscopiche forme di vita, in realtà si tratta di un habitat del tutto autosufficiente e funzionale. I microrganismi si posizionano nel modo che consente loro di interagire più efficientemente con i vicini. Tutta l’attività metabolica dei biofilm è coordinata per garantire la più efficace raccolta di nutrienti e lo smaltimento dei prodotti metabolici e delle tossine sfruttando efficacemente il dilavamento dovuto dalle correnti d’acqua. In sintesi un biofilm microbico si comporta quasi come una comunità sociale piuttosto che un ecosistema.
    Una componente importante dei biofilm e delle stuoie microbiche è l’EPS (vedi note precedenti). La quantità di EPS può essere così elevata che un biofilm spesso può sembarne letteralmente sommerso. Le molecole di EPS offrono supporto strutturale al biofilm, per trattenere i microrganismi, per assorbire le sostanze nutritive e regolare la salinità dell’habitat. L’EPS ha un ruolo fondamentale per la precipitazione del carbonato.
  6. Altre strutture sedimentarie biologiche sono le Tromboliti, piccole costruzioni costituite dalla sovrapposizione di più croste e laminazioni di fango carbonatico a forma di cupola prodotte da colonie batteriche. Associate spesso con le stromatoliti, furono molto diffuse durante il Paleozoico e il Proterozoico.
  7. Un Ambiente Evaporidico è quello in cui i sali minerali disciolti nell’acqua tendono a precipitare per l’evaporazione di questa.
  8. Anche se i procarioti sono in grado di vivere singolarmente, è  attraverso le strutture complesse come le colonie che essi aumentano le loro possibilità di sopravvivenza. Iniziano a manipolare il loro ambiente e a sviluppare strategie di sopravvivenza come la comunicazione chimica. Sono stati scoperti messaggi chimici espressi dai batteri che modificano la struttura dei biofilm (Davies et al., 1998). Questo indica una certa capacità di adattamento dell’intero habitat  agli stimoli ambientali piuttosto che del singolo individuo. Un passo certamente fondamentale per lo sviluppo multicellulare.

Riferimenti:

  1. "GSA Today - Stromatolites and MISS—Differences between relatives"http://www.geosociety.org/gsatoday/archive/23/9/abstract/i1052-5173-23-9-4.htm
  2. N. Noffke, D. Christian, D. Wacey, and R.M. Hazen, "Microbially induced sedimentary structures recording an ancient ecosystem in the ca. 3.48 billion-year-old Dresser Formation, Pilbara, Western Australia.", Astrobiology, 2013. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24205812
  3. D.G. Davies, M.R. Parsek, J.P. Pearson, B.H. Iglewski, J.W. Costerton, and E.P. Greenberg, "The involvement of cell-to-cell signals in the development of a bacterial biofilm.", Science (New York, N.Y.), 1998. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9535661

Umberto Genovese

Autodidatta in tutto - o quasi, e curioso di tutto - o quasi. L'astronomia è una delle sue più grandi passioni. Purtroppo una malattia invalidante che lo ha colpito da adulto limita i suoi propositi ma non frena il suo spirito e la sua curiosità. Ha creato il Blog Il Poliedrico nel 2010 e successivamente il Progetto Drake (un polo di aggregazione di informazioni, articoli e link sulla celebre equazione di Frank Drake e proposto al l 4° Congresso IAA (International Academy of Astronautics) “Cercando tracce di vita nell’Universo” (2012, San Marino)) e collabora saltuariamente con varie riviste di astronomia. Definisce sé stesso "Cercatore".

I commenti sono chiusi.

Commenti chiusi