Taphonomic Patterns of Elemental Enrichment: Synchrotron X-ray Fluorescence of Diverse Fossils From Multiple Konservat-lagerstätten, Extant Organisms, and Artificial Maturation Experiments
Questo studio utilizza la fluorescenza a raggi X da sincrotrone per dimostrare che le composizioni elementari dei fossili sono guidate principalmente da processi diagenetici e dall'interazione con i sedimenti piuttosto che dalla chimica originale dei tessuti, indicando che la maggior parte delle firme elementari rilevate è esogena e che i tentativi di identificare marcatori specifici dei tessuti devono controllare rigorosamente la formazione geologica.
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Per comprendere la storia della vita sulla Terra, gli scienziati si rivolgono spesso ai fossili. Questi resti preservati sono molto più di semplici forme di pietra; sono capsule del tempo che possono, in teoria, custodire le impronte chimiche delle creature viventi che un tempo camminavano, nuotavano o volavano. Per decenni, i ricercatori hanno sperato di leggere queste firme chimiche per apprendere di diete antiche, ambienti e persino dei colori di animali estinti. Un'idea chiave in questo campo è che certi elementi, come il rame o lo zinco, potrebbero aderire a specifiche molecole biologiche, come il pigmento melanina, che conferisce alle piume e alla pelle i loro colori scuri. Se questi metalli sopravvivono ai milioni di anni di sepoltura e formazione delle rocce, potrebbero fungere da indicatore affidabile, dicendoci esattamente dove si trovava il pigmento originale. Tuttavia, il viaggio da animale vivente a fossile è un percorso lungo e caotico. Dopo la morte, un corpo si decompone, viene sepolto sotto strati di sedimenti ed è sottoposto a calore e pressione immensi. Durante questo processo, noto come tafonomia, la chimica dei resti può cambiare drasticamente man mano che i minerali del suolo circostante filtrano all'interno o mentre i materiali organici instabili si degradano. La domanda centrale diventa: quando troviamo un fossile ricco di certi metalli, stiamo vedendo la chimica originale dell'animale o stiamo vedendo la chimica della roccia che lo ha sepolto?
Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di rispondere a questo quesito esaminando la composizione elementale di una vasta gamma di fossili, animali moderni e "fossili sintetici" creati in laboratorio. Hanno raccolto campioni da cinque famosi siti fossili in tutto il mondo, che spaziano da antichi letti di fiumi a cave di calcare, ed hanno esaminato insetti, piante, pesci e uccelli. Per vedere quali elementi fossero presenti, hanno utilizzato uno strumento potente chiamato fluorescenza a raggi X da sincrotrone. Questa tecnica agisce come uno scanner super-sensibile, sparando raggi X ad alta energia su un campione per far sì che gli atomi all'interno brillino di una luce unica che rivela esattamente quali elementi siano presenti e in quali quantità. Per dare un senso ai complessi dati, gli scienziati hanno confrontato questi fossili antichi non solo con i loro corrispettivi moderni — come piume fresche di uccelli viventi — ma anche con una serie di esperimenti. In questi esperimenti, hanno preso piume, insetti e foglie moderne, li hanno avvolti nell'argilla e li hanno sottoposti a calore e pressione elevati per simulare il naturale processo di fossilizzazione. Ciò ha permesso loro di vedere cosa accade alla chimica di un animale quando viene sepolto in laboratorio, senza le complicazioni aggiuntive di milioni di anni di decomposizione e interazione con le acque sotterranee.
I risultati di questo massiccio studio sono stati chiari e piuttosto sorprendenti. Quando i ricercatori hanno analizzato i profili chimici dei fossili, hanno scoperto che gli elementi presenti erano quasi interamente dettati dalla specifica formazione rocciosa in cui il fossile era stato rinvenuto, piuttosto che dal tipo di animale o di tessuto di cui era composto. Un uccello fossile proveniente da un antico lago appariva chimicamente più simile a un pesce fossile dello stesso lago di quanto non lo fosse a un uccello vivente di oggi. In effetti, la composizione chimica dei fossili era spesso più vicina al fango e alla pietra circostanti che al tessuto vivente originale. Lo studio ha dimostrato che i tessuti moderni possono arricchirsi o impoverirsi di certi elementi di ordini di grandezza durante la fossilizzazione. Ad esempio, i fossili contenevano spesso concentrazioni di metalli come rame, zinco e ferro molto più elevate rispetto ai loro equivalenti moderni, suggerendo che questi elementi siano stati aggiunti dall'ambiente piuttosto che preservati dall'animale. Al contrario, alcuni elementi presenti nei tessuti viventi, come lo zolfo in certe proteine, erano spesso completamente scomparsi.
Gli esperimenti hanno fornito un indizio cruciale sul perché ciò accada. Quando gli scienziati hanno fatto maturare tessuti moderni in laboratorio usando solo calore e pressione, i "fossili sintetici" risultanti hanno mantenuto un profilo chimico molto più vicino al tessuto vivente originale rispetto ai fossili naturali. Non mostravano gli estremi cambiamenti nella composizione elementale osservati nei fossili reali. Ciò suggerisce che i drammatici cambiamenti chimici nei fossili naturali non siano causati semplicemente dal calore e dalla pressione nel tempo. Invece, i cambiamenti sono guidati dalle complesse interazioni di decomposizione, attività microbica e dal flusso di acque sotterranee ricche di minerali attraverso il sedimento. Lo studio indica che l'ambiente agisce come un timbro, imprimendo la propria firma chimica sui resti. Sebbene alcuni elementi traccia possano sopravvivere se strettamente legati a strutture organiche molto stabili, l'immagine chimica complessiva di un fossile è dominata dalla geologia del suo sito di sepoltura.
Una delle implicazioni più significative di queste scoperte riguarda la ricerca dei colori antichi. Per un certo periodo, gli scienziati hanno proposto che trovare rame o zinco in una piuma fossile sia la prova che l'animale possedesse il pigmento melanina. Questo studio sfida direttamente tale idea. I ricercatori hanno scoperto che questi metalli non sono specifici della melanina; possono essere trovati chelati, o legati, a una vasta gamma di materiali organici, incluse fibre vegetali e gusci di insetti che non contenevano affatto melanina. Inoltre, questi metalli possono essere aggiunti a un fossile molto tempo dopo la morte dell'animale, poiché l'acqua sotterranea li trasporta attraverso la roccia e loro aderiscono ai resti in decomposizione. Lo studio conclude che trovare rame o zinco in un fossile non è una prova sufficiente per affermare la presenza della melanina originale. La firma chimica di un fossile è primariamente un registro della sua storia di sepoltura, non un ritratto diretto della biologia dell'animale vivente. Sebbene rimanga possibile che alcuni segnali chimici originali sopravvivano, essi sono pesantemente oscurati dall'influenza travolgente della roccia che li ha preservati. Per comprendere la vera biologia della vita antica, gli scienziati devono ora essere estremamente cauti nel tenere conto delle specifiche condizioni geologiche che hanno plasmato ogni fossile, riconoscendo che la pietra stessa ha riscritto gran parte della storia chimica.
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