Arxiu d'etiquetes: inclusión

Knowing fossils and their age

In All You Need Is Biology we often make reference to fossils to explain the past of living beings. But what is exactly a fossil and how is it formed? Which is the utility of fossils? Have you ever wondered how science knows the age of a fossil? Read on to find out!

WHAT IS A FOSSIL?

If you think of a fossil, surely the first thing that comes to your mind is a dinosaur bone or a petrified shell that you found in the forest, but a fossil is much more. Fossils are remnants (complete or partial) of  living beings that have lived in the past (thousands, millions of years) or traces of their activity that are preserved generally in sedimentary rocks. So, there are different types of fossils:

  • Petrified and permineralized fossils: are those corresponding to the classical definition of fossil in which organic or hollow parts are replaced with minerals (see next section). Its formation can leave internal or external molds in which the original material may disappear.

    cangrejo herradura, fósil, cosmocaixa, mireia querol rovira, horseshoe crab
    Petrified fossil of horseshoe crab and its footsteps. CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol Rovira
  • Ichnofossils (trace fossils): traces of the activity of a living being that are recorded in the rock and give information about the behavior of the species. They may be changes in the environment (nests and other structures), traces (footprints), stools (coprolites -excrements-, eggs …) and other traces such as scratches, bites…
    Cosmocaixa, huevos, dinosaurio, nido, mireia querol rovira
    Dinosaur eggs (nest). CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol Rovira

    coprolitos, cosmocaixa, excrementos fósiles, mireia querol rovira
    Coprolites, CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol Rovira
  • Amber: fossilized resin of more than 20 million years old. The intermediate state of amber is called copal (less than 20 million years) old. The resin, before becoming amber can trap insects, arachnids, pollen… in this case is considered a double fossil.

    Pieza de ámbar a la lupa con insectos en su interior. CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol Rovira
    Piece of amber with insects inside, CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol Rovira
  • Chemical fossils: are fossil fuels like oil and coal, which are formed by the accumulation of organic matter at high pressures and temperatures along with the action of anaerobic bacteria (bacteria that don’t use oxygen for metabolism).
  • Subfossil: when the fossilization process is not completed the remains are known as subfossils. They don’t have more than 11,000 years old. This is the case of our recent ancestors (Chalcolithic).

    Ötzi a subfossil. It is Europe’s oldest natural mummy. He lived during the Chalcolithic (Copper Age) and died 5300 years ago. Photo: Wikimedia Commons
  • Living fossils: name given to today’s living organisms very similar to species extinct. The most famous case is the coelacanth, it was believed extinct for 65 million years until it was rediscovered in 1938, but there are other examples such as nautilus.

    ammonites, nautilus, cosmocaixa, fósil, mireia querol rovira
    Comparison between the shell of a current nautilus (left) with an ammonite of millions of years old (right). CosmoCaixa. Photo: Mireia Rovira Querol
  • Pseudofossils: are rock formations that seem remains of living beings, but in reality they are formed by geological processes. The best known case is pyrolusite dendrites that seem plants. 
Infiltraciones de priolusita en piedra calcárea. CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol
Pirolusita infiltrations in limestone. CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol

Obviously fossils became more common after the appearance of hard parts (shells, teeth, bones …), 543 million years ago (Cambrian Explosion). The fossil record prior to this period is very scarce. The oldes tknown fossils are stromatolites, rocks that still they exist today formed by the precipitation of calcium carbonate because of the activity of photosynthetic bacteria.

The science of fossils is Paleontology.

stromatolite, estromatòli, estromatolito, mireia querol rovira, fossil, fósil
Stromatolite 2,800 million years old, Australian Museum. Photo: Mireia Querol Rovira

HOW A FOSSIL IS FORMED?

The fossilization can occur in five ways:

  • Petrifaction: is the replacement of organic material by minerals from the remains of a living being buried. An exact copy of the body is obtained in stone. The first step of petrificationis  permineralizationthe pores of the body are filled with mineral but organic tissue is unchanged. It is the most common method of fossilized bones).
  • Gelling: the body becomes embedded in the ice and don’t suffer transformations .
  • Compression : the dead body is on a soft layer of soil, such as clay, and is covered by layers of sediment .
  • Inclusion : organisms trapped in amber, or petroleum .
  • Impression: organisms leave impressions in the mud and the trace is preserved until the clay hardens.
    Fossilization processes and resulting fossils. Unknown author

    UTILITY OF FOSSILS

  • Fossils give us information on how living things were in the past, resulting in evidence of the biological evolution and help to establish the lineages of living things today.
  • Allow analyzing of cyclical phenomena such as climate change, atmosphere-ocean dynamics and even orbital perturbations of the planets.
  • Those who are of a certain age can be use to date the rocks in where they are found (guide fossils).
  • They give information of geological processes such as the movement of the continents, the presence of ancient oceans, formation of mountains…
  • The chemical fossils are our main source of energy .
  • They give climate information from the past, for example, studying the growth of rings in fossilized trunks or deposition of organic matter in the glacial varves.
    mireia querol rovira, tronco fósil, xilópalo, AMNH
    Fossil trunks where growth rings are observed. American Museum of Natural History. Photo: Mireia Querol Rovira

    DATING FOSSILS

    To determine the age of fossils there are indirect methods (relative dating) and direct (absolute dating). As there is no perfect method and accuracy decreases with age, the sites are often dated with more than one technique.

    RELATIVE DATING

    The fossils are dated according to the context in which they are found, if they are associated with other fossils (guide fossils) or objects of known age and it depends on the stratum they are found.

    In geology, stratums are different levels of rocks that are ordered by their depth: according to stratigraphy, the oldest ones are found at greater depths, while the modern ones are more superficial, as the sediments have not had much time to deposit on the substrate. Obviously if there are geological disturbances dating would be wrong if there were only this method.

    stratigraphic chart fossils
    Stratigraphic timescale. Picture: Ray Troll

    ABSOLUTE DATING

    This methods are more accurate and are based on the physical characteristics of matter.

    RADIOMETRIC DATING

    They are based on the rate of decay of radioactive isotopes in rocks and fossils. Isotopes are atoms of the same element but with different number of neutrons in their nuclei. Radioactive isotopes are unstable, so they are transformed into a more stable ones at a rate known to scientists emitting radiation. Comparing the amount of unstable isotopes to stable in a sample, scientits can estimate the time that has elapsed since the fossil or rock formed.

    Carbon 14 cycle. Unknown author
    Carbon-14 cycle. Unknown author
  • Radiocarbon (Carbon-14): in living organisms, the relationship between C12 and C14 is constant, but when they die, this relationship changes: the uptake of C14 stops and decay with a descomposing rate of 5730 years. Knowing the difference between C12 and C14 of the sample, we can date when the organism died. The maximum limit of this method are 60,000 years, therefore only applies to recent fossils.
  • Aluminum 26-Beryllium 10: it has the same application as the C14, but has a much greater decaying period, allowing  datings up to 10 datings millions of years, and even up to 15 million years.
  • Potassium-Argon (40K/40Ar): is used to date rocks and volcanic ash older than than 10,000 years old. This was the method used to date the Laetoli footprints, the first traces of bipedalism of our lineage left by Australopithecus afarensis.
  • Uranium Series (Uranium-Thorium): various techniques with uranium isotopes. They are sed in mineral deposits in caves (speleothems) and in calcium carbonate materials (such as corals).
  • Calcium 41: allows to date bones in a time interval from 50,000 to 1,000,000 years .

PALEOMAGNETIC DATING

The magnetic north pole has changed throughout the history of Earth and its geographical coordinates are known in different geological eras.

Some minerals have magnetic properties and are directed towards the north magnetic pole when in aqueous suspension, for example clays. But when laid on the ground, they are fixed to the position that the north magnetic pole was at the time. If we look at what coordinates are oriented such minerals at the site, we can associate it with a particular time.

Deposición de partículas magnéticas orientadas hacia el polo norte magnético. Fuente: Understanding Earth, Press and Seiver, W.H. Freeman and Co.
Deposition of magnetic particles oriented towards the magnetic north pole. Source: Understanding Earth, Press and Seiver, W.H. Freeman and Co.

This dating is used on clay remains and as the magnetic north pole has been several times in the same geographical coordinates, you get more than one date. Depending on the context of the site, you may discard some dates to reach a final dating.

THERMOLUMINESCENCE DATING AND  OPTICALLY STIMULATED LUMINESCENCE (OSL)

Certain minerals (quartz, feldspar, calcite …) accumulate in its crystal structure changes due to radioactive decay of the environment. These changes are cumulative, continuous and time dependent to radiation exposure. When subjected to external stimuli, mineral emits light due to these changes. This luminescence is weak and distinct as apply heat (TL), visible light (OSL) or infrared (IRSL).

Fluorite's thermoluminescence. Photo: Mauswiesel
Fluorite’s thermoluminescence. Photo: Mauswiesel

Can be dated samples that were protected from sunlight and heat to more than 500 ° C, otherwise the “clock” is reset as the energy naturally releases.

ELECTRON PARAMAGNETIC RESONANCE (ESR)

The ESR (electro spin resonance) involves irradiating the sample and measuring the energy absorbed by the sample depending on the amount of natural radiation which it has been subjected during its history. It is a complex method which you can get more information here.

REFERENCES

Conociendo los fósiles y su edad

En All You Need Is Biology a menudo hacemos referencia a los fósiles para explicar el pasado de los seres vivos. ¿Pero qué es exactamente un fósil y cómo se forma? ¿Para qué sirven los fósiles? ¿Te has preguntado alguna vez cómo lo hace la ciencia para saber la edad de un fósil? Sigue leyendo para descubrirlo!

¿QUÉ ES UN FÓSIL?

Si piensas en un fósil, seguramente lo primero que te viene a la cabeza es un hueso de dinosaurio o una concha petrificada que te encontraste en el bosque, pero un fósil es mucho más. Los fósiles son restos (completos o parciales) de seres vivos que han vivido en el pasado (miles, millones de años)  o rastros de su actividad que quedan conservados (generalmente en rocas sedimentarias). Así pues, existen diferentes tipos de fósiles:

  • Petrificados y permineralizados: son los que corresponden a la definición clásica de fósil en el que las partes orgánicas o huecos son sustituidas por minerales (ver apartado siguiente). Su formación puede dejar moldes internos o externos (por ejemplo, de conchas) en el que el material original puede desaparecer. La madera fosilizada de esta manera se conoce como xilópalo.

    cangrejo herradura, fósil, cosmocaixa, mireia querol rovira
    Fósil petrificado de cangrejo herradura y sus pisadas. CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol Rovira
  • Icnofósiles: restos de la actividad de un ser vivo que quedan registradas en la roca y dan información sobre el comportamiento de las especies. Pueden ser modificaciones del entorno (nidos y otras construcciones), huellas (icnitas), deposiciones (coprolitos -excrementos-, huevos…) y otras marcas como arañazos, dentelladas…
    Cosmocaixa, huevos, dinosaurio, nido, mireia querol rovira
    Huevos de dinosaurio (nido). CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol Rovira

    coprolitos, cosmocaixa, excrementos fósiles, mireia querol rovira
    Coprolitos, CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol Rovira
  • Ámbar: se trata de resina fósil de más de 20 millones de antigüedad. Antes pasa por un estado intermedio que se llama copal (menos de 20 millones de años). La resina, antes de pasar a ámbar, puede atrapar insectos, arácnidos, polen… en este caso se consideraría un doble fósil.

    ámbra, ambre, cosmocaixa, mireia querol rovira
    Pieza de ámbar a la lupa con insectos en su interior, CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol Rovira
  • Fósiles químicos: son los combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón, que se formaron por la acumulación de materia orgánica a altas presiones y temperaturas junto con la acción de bacterias anaerobias (que no utilizan oxigeno para su metabolismo).
  • Subfósil: cuando el proceso de fosilización no se completa (por haber pasado poco tiempo, o las condiciones para que se diera la fosilización no fueron propicias) los restos se conocen como subfósiles. No tienen más de 11.000 años de antigüedad. Es el caso de nuestros antepasados más recientes (Edad de los Metales).
Ötzi, un subfósil. Es la momia natural más antigua de Europa. Vivió durante el Calcolítico (Edad de Cobre) y murió hace 5.300 años. Foto: Wikimedia Commons
Ötzi, un subfósil. Es la momia natural más antigua de Europa. Vivió durante el Calcolítico (Edad de Cobre) y murió hace 5.300 años. Foto: Wikimedia Commons
  • Fósil viviente: nombre que se da a seres vivos actuales muy parecidos a organismos ya extintos. El caso más famoso es el del celacanto, que se creía extinguido desde hacía 65 millones de años hasta que fue redescubierto en 1938, pero hay otros ejemplos como los nautilos.

    ammonites, nautilus, cosmocaixa, fósil, mireia querol rovira
    Comparación entre la concha de un nautilus actual (izquierda) y un ammonite de millones de años de antigüedad (derecha). CosmoCaixa. Foto :Mireia Querol Rovira
  • Pseudofósiles: son formaciones en las rocas que parecen restos de seres vivos, pero en realidad se han formado por procesos geológicos. El caso más conocido son las dendritas de pirolusita, que parecen vegetales.

    pritolusita, dendritas pirolusita, cosmocaixa, mireia querol rovira
    Infiltraciones de pirolusita en piedra calcárea. CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol

Lógicamente los fósiles se hicieron más comunes a partir de la aparición de partes duras (conchas, dientes, huesos…), hace 543 millones de años (Explosión del Cámbrico). El registro fósil anterior a ese período es muy escaso. Los fósiles más antiguos que se conocen son los estromatolitos, rocas formadas por la precipitación de carbonato cálcico debido a la actividad de bacterias fotosintéticas que aún existen en la actualidad.

La ciencia que estudia los fósiles es la Paleontología.

stromatolite, estromatòli, estromatolito, mireia querol rovira, fossil, fósil
Estromatolito de 2.800 millones de años de antigüedad, Australian Museum. Foto: Mireia Querol Rovira

¿CÓMO SE FORMA UN FÓSIL?

La fosilización se puede dar de cinco maneras distintas:

  • Petrificación: es la sustitución de la materia orgánica por sustancias minerales de los restos de un ser vivo enterrado. Se obtiene una copia exacta del organismo en piedra. El primer paso de la petrificación es la permineralización (los poros del organismo están rellenos de mineral pero el tejido orgánico está inalterado. Es la fosilización más común que sufren los huesos).
  • Gelificación: el organismo queda incrustado en el hielo y no sufre apenas transformaciones.
  • Compresión: el organismo muerto queda sobre una capa blanda del suelo, como el lodo, y queda cubierto por capas de sedimentos.
  • Inclusión: los organismos quedan atrapados en ámbar o petróleo.
  • Impresión: los organismos dejan impresiones en el barro y se conserva la marca hasta que el barro se endurece.

    Procesos de fosilización y fósiles resultantes. Autor desconocido
    Procesos de fosilización y fósiles resultantes. Autor desconocido

UTILIDAD DE LOS FÓSILES

  • Los fósiles nos dan información de cómo eran los seres vivos en el pasado, resultando una evidencia de la evolución biológica y una ayuda para establecer los linajes de los seres vivos actuales.
  • Permiten analizar fenómenos cíclicos como cambios climáticos, dinámicas atmósfera-océano e incluso las perturbaciones orbitales de los planetas.
  • Los que son exclusivos de una determinada época permiten datar con bastante exactitud las rocas en las que se encuentran (fósiles guía).
  • Dan información de procesos geológicos como el movimiento de los continentes, presencia de antiguos océanos, cadenas montañosas…
  • Los fósiles químicos son nuestra principal fuente de energía actual.
  • Dan información sobre el clima del pasado, por ejemplo, estudiando los anillos de crecimiento de los troncos fósiles o las deposiciones de materia orgánica en las varvas glaciales.

    mireia querol rovira, tronco fósil, xilópalo, AMNH
    Troncos fósiles donde se observan anillos de crecimiento. American Museum of Natural History. Foto: Mireia Querol Rovira

DATACIÓN DE LOS FÓSILES

Para conocer la edad de los fósiles existen métodos indirectos (datación relativa) y directos (datación absoluta). Como no hay ningún método perfecto y la precisión disminuye con la antigüedad, los yacimientos se suelen datar con más de una técnica.

DATACIÓN RELATIVA

Los fósiles se datan según el contexto en el que han sido encontrados, si están asociados a otros fósiles (fósiles guía) u objetos de los que se conoce la edad y según el estrato en el que se encuentran.

En geología, los estratos son los distintos niveles de rocas que se ordenan según su profundidad: según la estratigrafía, los más antiguos son los que se encuentran a mayor profundidad, mientras que los más modernos son los más superficiales, ya que los sedimentos no han tenido tanto tiempo para depositarse en el sustrato. Lógicamente si hay movimientos de tierras y alteraciones geológicas la datación sería incorrecta si sólo existiera este método.

estratigrafía
Esquema de las eras geológicas y estratos con sus correspondientes fósiles. Fuente

DATACIÓN ABSOLUTA

Son más precisas y se basan en las características físicas de la materia.

DATACIÓN RADIOMÉTRICA

Se basan en la velocidad de desintegración de isótopos radioactivos presentes en rocas y fósiles. Los isótopos son átomos del mismo elemento pero con distinta cantidad de neutrones en su  núcleo. Los isótopos radioactivos son inestables, por lo que se transforman en otros más estables a una velocidad conocida por los científicos emitiendo radiación. Comparando la cantidad de isótopos inestables con los estables en una muestra, la ciencia puede estimar el tiempo que ha transcurrido desde que se formó el fósil o roca.

carbono 14
Esquema del ciclo del Carbono 14. Fuente
  • Radiocarbono (Carbono-14): en organismos vivos, la relación entre el C12 y el C14 es constante, pero cuando mueren, esta relación cambia ya que el C14 deja de incorporarse en el cuerpo y el que queda se descompone radioactivamente en un periodo de semidesintegración de 5730 años. Conociendo la diferencia entre el C12 y C14 de la muestra, podremos datar cuando murió el organismo. El límite máximo de datación por este método son 60.000 años, por lo tanto sólo se aplica a fósiles recientes.
  • Berilio 10-Aluminio 26: tiene la misma aplicación que el C14, pero tiene un período de semidesintegración muchísimo mayor, por lo que permite dataciones de 10 millones de años, e incluso de hasta 15 millones de años.
  • Potasio-Argón (40K/40Ar):  se utiliza para datar rocas y cenizas de origen volcánico de más de 10.000 años . Es el método que se utilizó para datar las huellas de Laetoli, el primer rastro de bipedismo de nuestro linaje dejado por Australopitecus afarensis.
  • Series del Uranio (Uranio-Torio): se utilizan diversas técnicas mediante los isótopos del uranio. Se utilizan en materiales de carbonato de calcio, (como corales) y depósitos minerales en cuevas (espeleotemas).
  • Calcio 41: permite datar restos óseos en un intervalo de tiempo entre 50.000 y 1.000.000 de años.

DATACIÓN POR PALEOMAGNETISMO

El polo norte magnético ha ido cambiando a lo largo de la historia de la Tierra, y se conocen sus coordenadas geográficas en distintas épocas geológicas.

Algunos minerales tienen propiedades magnéticas y se dirigen hacia el polo norte magnético cuando están en suspensión acuosa, por ejemplo en las arcillas. Pero si se depositan en el suelo, quedan fijados hacia la posición que tenía el polo norte magnético en ese momento. Si observamos hacia qué coordenadas están orientados esos minerales en el yacimiento lo podemos asociar con una época determinada.

Deposición de partículas magnéticas orientadas hacia el polo norte magnético. Fuente: Understanding Earth, Press and Seiver, W.H. Freeman and Co.
Deposición de partículas magnéticas orientadas hacia el polo norte magnético. Fuente: Understanding Earth, Press and Seiver, W.H. Freeman and Co.

Esta datación se utiliza en restos dipositados sobre fondos arcillosos y como el polo norte magnético ha estado varias veces en las mismas coordenadas geográficas, se obtiene más de una fecha de datación. Según el contexto del yacimiento, se podrán descartar algunas de estas fechas hasta llegar a una definitiva.

DATACIÓN POR TERMOLUMINISCENCIA Y LUMINISCENCIA ÓPTICA SIMULADA

Ciertos minerales (cuarzo, feldespato, calcita…) acumulan modificaciones en su estructura cristalina debidas a la desintegración radiactiva del entorno. Estas modificaciones son acumulativas, continuas y dependientes del tiempo de exposición a la radiación. Cuando se somete al mineral a estímulos externos, emite luz debido a estas modificaciones. Esta luminiscencia es muy débil y distinta según se le aplique calor (TL), luz visible (OSL) o infrarrojos (IRSL).

Termoluminiscencia de la fluorita. Foto: Mauswiesel
Termoluminiscencia de la fluorita. Foto: Mauswiesel

Sólo se pueden datar muestras que hayan estado protegidas de la luz solar o calor a más de 500ºC, ya que entonces se reinicia “el reloj” al liberarse la energía de manera natural.

RESONANCIA PARAMAGNÉTICA ELECTRÓNICA (ESR)

La ESR (electro spin resonance) consiste en someter la muestra a radiación y medir la energía absorbida por la muestra en función de la cantidad de radiación a la que ha estado sometida durante su historia. Es un método complejo del que puedes obtener más información aquí.

 REFERENCIAS

Mireia Querol Rovira