Fósiles

Comprender el clima y los ecosistemas pasados



Un estudio de caso de los depósitos de Mio-Plioceno en el West Coast Fossil Park, Sudáfricapor Alexandra Guth, Universidad Tecnológica de Michigan

Reconstrucción de un entorno: Los científicos combinan muchas pruebas para comprender el pasado de la Tierra. Los fósiles (A) muestran específicamente qué animales vivían en una región, mientras que los sedimentos que rodean los huesos proporcionan pistas importantes sobre el entorno de depósito. Los huesos pueden analizarse más a fondo para determinar sus composiciones isotópicas, que están influenciadas por las plantas que el animal consume mientras está vivo (B). Además, el polen liberado de las plantas tiende a conservarse fácilmente en el registro geológico, proporcionando un registro detallado de las comunidades florales del pasado. Todos estos fragmentos de evidencia se pueden combinar para crear reconstrucciones detalladas de entornos que existieron hace millones de años (C).

Parque de la costa oeste de fósiles: Mapa de ubicación que muestra la elevación de África (1) con la región del Cabo Occidental de Sudáfrica (2) expandida. En el mapa 2, la estrella naranja del sur es la ubicación de Ciudad del Cabo, y la estrella azul del norte representa el West Coast Fossil Park. La región 3 del subconjunto se expande para mostrar las condiciones actuales del nivel del mar (3A) y la situación hace 5,2 millones de años, cuando el nivel del mar era ~ 30 metros más alto que el actual (3B). En ese momento, el sitio ocupado por el parque fósil habría estado cerca de la costa donde el antiguo río Berg desembocaba en el Atlántico. El mapa base de Elevation of Africa es del conjunto de datos CleanTOPO2, y las imágenes satelitales son Landsat GeoCover de la NASA alrededor del año 2000.

Introducción

¿Cómo sabemos cómo era la antigua Tierra antes de que la gente estuviera presente para presenciar y registrar las condiciones? Una de las principales formas en que los geocientíficos desentrañan climas y ecosistemas pasados ​​es realizando estudios detallados de depósitos que contienen los restos conservados de plantas y animales antiguos.

La formación de fósiles es generalmente una ocurrencia rara, por lo que encontrar restos de restos fósiles concentrados o altamente detallados es científicamente valioso. Los depósitos fósiles notables por su diversidad o detalle se llaman Lagerstätten (en alemán, 'motherlode' o 'lugar de almacenamiento'), que se pueden dividir en dos tipos principales.

Konservat-Lagerstätten son lugares donde se encuentran los detalles finos de un organismo conservado (tenga en cuenta la similitud entre el equivalente alemán y el inglés en cursiva). En dichos sitios, las partes blandas de un organismo, que normalmente se descomponen, se registran como impresiones o películas de carbono. Ejemplos bien conocidos de tales depósitos son el Burgess Shale en Columbia Británica y la Formación Green River en el oeste de los Estados Unidos.

La segunda variedad es la Konzentrat-Lagerstätte, que es un lugar donde hay un gran concentración de huesos Si bien estos sitios no brindan muchos detalles finos de los organismos, pueden proporcionar una visión de un ecosistema antiguo al concentrar los huesos de los animales que normalmente se extenderían en un área amplia. Los ejemplos incluyen las exposiciones de la Formación Morrison de edad jurásica en el Monumento Nacional Dinosaur en Utah, y la Cama de Hueso Sharktooth Hill de 15-16 millones de años en California.

Otro ejemplo de Konzentrat-Lagerstätten se encuentra en los depósitos de sedimentos de la Formación Langebaanweg en el West Coast Fossil Park en Sudáfrica. Los numerosos restos dentro de estos lechos fosilíferos proporcionan información importante sobre las comunidades biológicas y el clima de la región hace unos 5 millones de años.

Descubrimiento y desarrollo del sitio

Originalmente una mina de fosfato, los fósiles fueron descubiertos a fines de la década de 1950. Los fosfatos se extraen hoy principalmente para su uso en fertilizantes, y el ácido fosfórico se usa comúnmente en refrescos. Sin embargo, estas rocas fueron minadas inicialmente para su uso en armamentos de la Segunda Guerra Mundial.

Los depósitos de fosfato sedimentario se producen en regiones de alta productividad biológica marina, como las plataformas continentales modernas. Debido a las condiciones cambiantes, el nivel del mar en este caso, las regiones que antes estaban bajo el agua ahora están expuestas en tierra y son accesibles para detección y excavación. La minería activa en el sitio de fósiles cesó en 1993 cuando la mina cerró, y el área donde se habían descubierto fósiles se dejó de lado como Monumento Nacional (que pronto se convertirá en un Sitio de Patrimonio Nacional). La actividad minera puede haber destruido el 80% de los fósiles en este sitio, pero todavía hay un estimado de 1 millón de especímenes conservados en las colecciones del Museo Iziko de Sudáfrica.

Roca fosfática con material orgánico: Una escala en centímetros junto a la roca fosfática. Los granos rojos representan el material orgánico fosfatado. Foto de Alexandra Guth.

Formando una Konzentrat-Lagerstätte

Es común visualizar el proceso de fosilización como un solo animal muriendo y luego enterrado en su lugar. Mientras que algunos animales murieron directamente en las llanuras de inundación que solían existir en el sitio, muchos de los restos en el West Coast Fossil Park fueron trasladados y concentrados por el agua en este único lugar con el tiempo.

Probablemente el 'antepasado' del río Berg se vació en el Atlántico cerca del parque actual cuando se depositaron los huesos. Una barra de arena en alta mar puede haber evitado que los restos sean arrojados al mar, y también puede haber actuado simultáneamente para atrapar los restos arrastrados del océano.

Reconstruyendo un ambiente

Diferentes animales y plantas tienen variadas necesidades de hábitat; por lo tanto, identificar los restos para establecer qué comunidad está presente proporciona pistas sobre ecosistemas pasados. Esta tarea se vuelve más difícil para los depósitos que representan una fauna completamente extinta (como los dinosaurios de la formación Jurásico Morrison), pero los restos en el Parque Fósil de la Costa Oeste tienen apenas 5 millones de años. Si bien la mayoría de las especies preservadas en el parque están extintas, están estrechamente relacionadas con las especies modernas.

En términos de identificación de un animal, no necesita el 100% de los huesos de un individuo para identificarlo con confianza. Esto es particularmente importante, ya que los esqueletos completos no se encuentran comúnmente, especialmente en Konzentrat-Lagerstätten, donde los huesos han sido desarticulados y transportados. A menudo hay un sesgo de preservación adicional, donde los huesos pequeños y delicados se destruyen durante el transporte, mientras que los huesos más gruesos y resistentes tienen más probabilidades de permanecer intactos. A pesar de estas dificultades, los paleontólogos tienen bastante éxito en la clasificación e identificación de huesos para representar a la comunidad antigua.

Los animales encontrados en el West Coast Fossil Park indican que el área estaba cerca del límite de la tierra y el océano, dado que tanto los animales marinos (por ejemplo, foca, tiburón megalodon, 4 especies de pingüinos) como los mamíferos terrestres (por ejemplo, jirafa de cuello corto, oso hormiguero , hiena, hipopótamo, mamut, antílope, caballo de tres dedos, gato con dientes de sable) fueron encontrados juntos. La presencia adicional de ranas (al menos 8, tal vez hasta 12 especies están representadas en los depósitos) indica que debe haber agua fresca. Si bien muchas especies de ranas exhiben cierta tolerancia al agua salina, no se conocen anfibios que habitan hábitats puramente marinos.

Cama de hueso: El lecho óseo in situ exhibido en el West Coast Fossil Park, Sudáfrica. El hueso de la mandíbula en el centro pertenecía a un Sivathere, un pariente extinto de la jirafa moderna. La cuerda marca una cuadrícula de 1 metro.

Isótopos de Carbono: más que citas de edad

Se puede obtener una comprensión más detallada al examinar los isótopos de carbono conservados en huesos y dientes. Si bien la mayoría de las personas están familiarizadas con el isótopo C-14 debido a su uso en la datación de restos recientes (vea la discusión a continuación), el carbono tiene dos isótopos que son más comunes y no radiactivos. C-12 es el isótopo más común de carbono, siendo C-13 un isótopo estable secundario. Debido a que son estables, no se descomponen con el tiempo.

Los diferentes grupos de plantas tienen proporciones distintas de isótopos de carbono que pueden usarse como huella digital para la paleodieta de animales antiguos. El carbono en las plantas se usa para construir huesos y dientes, de modo que las proporciones en las plantas se reflejan en los huesos de los animales que las consumen.

Estas diferentes firmas isotópicas se deben a las diferentes vías metabólicas utilizadas por las plantas. Muchos pastos son geológicamente recientes y son "plantas C4", mientras que los árboles y las plantas herbáceas son "plantas C3". Una sabana está compuesta de plantas C4 y C3 ya que hay árboles, arbustos y pastos. Un bosque, por otro lado, será predominantemente plantas C3. Una flora única de Sudáfrica es el fynbos (pronunciado: "finebose"), que también es C3.

Un animal que consume principalmente plantas C3 tendrá una proporción de isótopos de carbono diferente en sus huesos que un animal que mayormente come plantas C4. El análisis realizado sobre los restos de ungulados (mamíferos con pezuñas: hipopótamos, antílopes, jirafas, cerdos, etc.) indica que el ambiente presente en el parque fósil hace 5 millones de años estaba dominado por plantas C3.

Polen

Si bien el análisis isotópico indicó que la región no estaba dominada por pastos, no podía diferenciar entre árboles, arbustos y fynbos. Afortunadamente, el polen liberado por las plantas suele ser abundante y bien conservado en los sedimentos.

El polen, a diferencia de las proporciones de isótopos, puede identificar de manera única una familia de plantas o género que estuvo presente en el área. Como beneficio adicional, a diferencia de los restos de plantas más grandes como la madera o las hojas, el polen es transportado fácilmente por el viento y el agua y, por lo tanto, se propaga ampliamente desde la ubicación de una planta individual. Si bien es posible que nunca encuentre una hoja fósil de una planta individual, es mucho más probable que encuentre su polen.

El análisis de polen en el Parque Fósil indica que la región hace 5 millones de años incluía las familias herbáceas Ranunculaceae (p. Ej., Ranúnculos), Cyperaceae (juncias, p. Ej., Papiro), Asteraceae (p. Ej., Margaritas) y Umbelliferae (p. Ej., Perejil, encaje de la reina Anne). La combinación de estas familias botánicas se utilizó para inferir un hábitat costero llano. La presencia de las familias de plantas Asteraceae, Chenopodiaceae (pie de ganso) y Amaranthaceae (amaranto) también indicaron condiciones más secas. También estuvo presente el polen de árboles de la familia Proteaceae (por ejemplo, protea), así como los géneros Podocarpus (por ejemplo, palo amarillo) y Olea (por ejemplo, olivo y palo de hierro).

La presencia de todo este polen proporciona una imagen de las comunidades de plantas que habitaban esta región en el momento en que se depositaron los sedimentos fosilíferos. Saber qué plantas y animales estaban presentes en ese momento puede usarse para indicar el entorno pasado.

El problema de citas de edad de Ricitos de Oro

El carbono 14 es el isótopo radiactivo (natural) del carbono que es el método más conocido para fechar materiales viejos. Sin embargo, la gran mayoría del registro de rocas no puede ser fechada con esta técnica porque la vida media de C-14 es demasiado corta, y también requiere la presencia del material orgánico original (mientras que la fosilización reemplaza el material orgánico original con más minerales duraderos). Para cuando el material orgánico tiene 75,000 años de antigüedad, queda muy poco C-14 en la muestra para medir de manera confiable.

El isótopo radiactivo de potasio (K-40) tiene una vida media mucho más larga que C-14 y está presente en rocas ígneas. Por lo tanto, las técnicas que involucran potasio y su producto hijo Argon, se pueden usar en materiales que surgieron de los volcanes hace más de 100,000 años (debido a que la vida media es tan larga, esta técnica no se puede usar en material muy joven porque una fracción tan pequeña del potasio original se ha deteriorado y no podemos medirlo con precisión).

Desafortunadamente, Sudáfrica no estuvo volcánicamente activa durante el tiempo en que murieron estos animales, por lo que los sedimentos no se pueden fechar directamente usando potasio-argón. Sin embargo, otros métodos que involucran patrones de cambio del nivel del mar, paleomagnetismo y fósiles pueden usarse para indicar la edad de los sedimentos.

Vinculación de edades con fósiles

La bioestratigrafía es un método para ordenar el registro de rocas basado en los restos de animales presentes, y es una alternativa útil para proporcionar restricciones de edad en rocas fosilíferas. Algunos linajes de animales, como los cerdos y los elefantes, parecen cambiar rápidamente (en un sentido geológico), por lo que identificar diferentes conjuntos de estos animales puede ayudar a determinar la edad de las rocas.

Las pistas de los animales fósiles limitan la edad de los sedimentos del Parque Fósil de la Costa Oeste a alrededor de 5,2 millones de años. El suid (cerdo) Nyanzachoerus kanamensis se ha encontrado tanto en África Oriental como en el parque fósil. Debido a la división volcánica activa y la actividad volcánica asociada en África Oriental, se ha asociado una fecha de edad absoluta (como en, podemos asignarle un número) a esa especie. Dado que la familia de los cerdos estaba experimentando cambios geológicamente rápidos, al encontrar esa especie podemos decir algo sobre la edad de los sedimentos en el parque.

Más información
1 Análisis de isótopos e historias del maíz: Robert H. Tykot, Capítulo 10 en: J.E. Staller, R.H. Tykot y B.F. Benz (editores), Historias de maíz: enfoques multidisciplinarios de la prehistoria, lingüística, biogeografía, domesticación y evolución del maíz., Academic Press (Elsevier), 2009.
2 Las rocas y minerales de Ciudad del Cabo: J.S. Compton, Double Storey Books, Ciudad del Cabo, Sudáfrica, 112 páginas, 2004.
3 CleanTOPO2: Datos de elevación del mundo SRTM30 Plus editados: Tom Patterson, Servicio de Parques Nacionales de EE. UU., 2013.
4 Contexto regional y global del sitio paleontológico del Cenozoico tardío Langebaanweg (LBW): Costa oeste de Sudáfrica: David L. Roberts, et al., Earth-Science Reviews, Volumen 106: 3-4, páginas 191-214, 2011.
5 The Environment 5-5.2 Million Years Ago: artículo en el sitio web de West Coast Fossil Park, consultado por última vez en diciembre de 2016.

Conclusiones

La reconstrucción de un entorno a menudo puede reducirse a detalles finos: firmas isotópicas en los huesos, patrones de microhilos en los dientes (los rasguños en la superficie de los dientes pueden indicar si el animal era un grazer, un navegador o un alimentador de modo mixto), ensamblajes de polen en sedimentos , etc.

Por el momento, el parque existe en un clima mediterráneo y se encuentra a más de 10 km del océano. Sin embargo, toda la evidencia combinada indica que hace cinco millones de años el West Coast Fossil Park habría existido en un bosque subtropical cerca de donde un antiguo río Berg desembocaba en el Atlántico.

Los restos de animales combinados con pistas microscópicas y químicas crean una imagen coherente de cómo era esta región a pesar de que no había humanos cerca para presenciarla directamente. Es de esta manera que los geocientíficos desentrañan los misterios de la vida y el clima pasados ​​de la Tierra.

Hoy en día, estos fósiles se pueden ver in situ (en el lugar) en el West Coast Fossil Park en Sudáfrica, e incluso los huéspedes pueden ayudar a completar la imagen ambiental buscando microfósiles de aves, ranas, roedores y muchos otros pequeños animales en tamiz. pantallas. Cualquier hallazgo se agrega a las colecciones del museo: los visitantes no pueden recolectar especímenes para sí mismos, ya que todos los fósiles están protegidos por el estado de Sudáfrica.

Parque de fósiles de la costa oeste

El West Coast Fossil Park está ubicado a 120 km al norte de Ciudad del Cabo en Sudáfrica. Su sitio web contiene abundante información sobre el sitio, instrucciones detalladas, información sobre la investigación que se realiza allí, así como animaciones educativas y hojas de trabajo. La autora de este artículo desea agradecer a la gerente del Parque Fósil, Pippa Haarhoff, por su ayuda y aliento.

Sobre el Autor

Alex Guth se graduó de doctorado en la Universidad Tecnológica de Michigan, y su disertación se centró en la evolución volcánica de la Grieta de Kenia. Ha visitado varias veces la región del Cabo Occidental de Sudáfrica para ayudar a su asesor en el campamento de geología, y su investigación en África le ha brindado varias oportunidades para trabajar con National Geographic. Su sitio web se puede ver en: //www.geo.mtu.edu/~alguth/