La fossilizzazione è l'insieme dei processi biochimici e ambientali che modificano i resti degli esseri viventi, impedendone il disfacimento, e li trasformano nel prodotto chiamato fossile. La fossilizzazione propriamente detta corrisponde alla quarta fase della tafonomia. Più genericamente, il termine si applica all'intera storia di tali resti fino al loro ritrovamento. Requisiti
Il requisito fondamentale per la conservazione allo stato fossile delle spoglie è che vengano sottratte più rapidamente possibile a tutta una serie di agenti biologici, chimici, fisici e meccanici che tendono a distruggerle o decomporle. Come hanno stimato gli studiosi moderni, solo una specie su tra quelle vissute in passato ha la possibilità di fossilizzarsi e di essere conosciuta dall'essere umano..
La presenza di ossigeno è necessaria per permettere lo sviluppo di batteri aerobici; in assenza di ossigeno si svilupperebbero solo quelli anaerobici e si avrebbe così una fermentazione anaerobica, che porterebbe non alla distruzione della materia organica ma a una profonda trasformazione, con conservazione del solo carbonio (carbonificazione). Per una conservazione tridimensionale dei tessuti organici è necessario che ci sia una limitata decomposizione e anche una mineralizzazione precoce.
In genere, le spoglie vengono preservate da un rapido seppellimento, che le sottrae all'ossidazione e putrefazione aerobica; ciò avviene meglio nel fango o in acqua (mare, laghi, paludi ecc.), dove la sedimentazione è più veloce della decomposizione. Le spoglie possono essere sottratte all'aria anche in altri modi, ad esempio per inglobamento nella resina, poi trasformatasi in ambra fossile; o per il rivestimento con le ceneri derivanti dalle eruzioni vulcaniche. Se fosse possibile bloccare l'azione dei batteri e impedire ogni reazione chimica, la conservazione della materia organica sarebbe totale.
Le componenti dure, sia quelle mineralizzate, come denti, ossa e gusci, sia quelle non mineralizzate, come chitina e lignina, hanno maggiori probabilità di superare l'intervallo di tempo critico tra la morte e l'inclusione nel sedimento rispetto alle componenti molli quali muscoli e grassi. Per tale ragione, la fossilizzazione preserva questi ultimi solo raramente..
Fossilizzazione della materia organica Dopo essere stati seppelliti sotto una coltre di sedimento, i resti degli organismi che hanno superato necrolisi e biostratinomia sono ormai particelle sedimentarie, e come tali diverranno soggetti a tutti i processi di diagenesi che trasformeranno man mano i sedimenti che li inglobano in rocce sedimentarie.
Carbonificazione
La carbonificazione è un processo molto diffuso di fossilizzazione riguardante soprattutto i vegetali, che ha portato alla formazione dei grandi giacimenti di carbone fossile del periodo Carbonifero, risalenti ad almeno 340 milioni di anni fa. Durante questo periodo geologico grandi aree della terra, oggi corrispondenti a Cina, India, Australia, Africa, Nordamerica e parte dell'Europa, erano coperte di vasti acquitrini, circondati da lussureggianti foreste la cui crescita era favorita da un clima caldo-umido di tipo tropicale. I resti di queste antiche foreste costituiscono la base degli accumuli di carbone fossile.
Questo è dovuto all'azione di particolari batteri anaerobici, che attaccando i resti vegetali, eliminano l'ossigeno e l'azoto e li arricchiscono così indirettamente di carbonio. In ambiente assolutamente privo di ossigeno gli idrati di carbonio tenderanno a dare origine a carbonio puro, ovvero carbon fossile, mentre le proteine e i grassi animali daranno luogo a idrocarburi, liquidi o gassosi, ovvero composti in cui oltre al carbonio è ancora presente l'idrogeno.
La materia organica, anche se trasformata in carbonio o idrocarburi, può essere conservata per tempi illimitati a patto che non vi sia ossigeno. Il processo di carbonificazione e di bituminizzazione (produzione di idrocarburi) produce una diminuzione del volume a causa dell'allontanamento di idrogeno e ossigeno, ma il volume si riduce ulteriormente e in modo molto più rilevante a causa dell'eliminazione della grande quantità di acqua presente nei tessuti organici. I processi diagenetici successivi possono inoltre ridurre ulteriormente gli idrocarburi, sottraendo ancor di più volume al resto organico originario. Tutto ciò che rimane della materia organica iniziale è definito antracoleimma (dal greco anthrax = carbone e leimma = resto) (Schopf, 1975), una pellicola carboniosa che non conserva quasi mai la microstruttura interna. Sostanzialmente, un banco di carbon fossile può essere considerato una pila di antracoleimmi uno sull'altro, in cui non è più riconoscibile la struttura originaria. A volte in questi depositi si possono trovare resti di carbone di legna naturale fossile (fusain) originatosi per combustione.
L'intensità della diagenesi determina il grado di schiacciamento e della riduzione del volume: a questo proposito, si può osservare che i tronchi incompletamente carbonificati risalenti alla fine del Neogene o al Pleistocene sono già appiattiti ma conservano ancora strutture cellulari riconoscibili, mentre quelli del Mesozoico o ancor più del Paleozoico sono ormai privi di strutture cellulari evidenti. Questi resti mantengono però una forma esterna riconoscibile in qualunque stadio diagenetico, e sono molto utili in paleontologia. Se gli antracoleimmi di foglie e altri materiali vegetali fragili (fitoleimmi) vengono ossidati nell'ambiente esterno, allora si conserverà solo l'impronta esterna contornata da ossidi di ferro; nel caso in cui il sedimento sia sufficientemente fine, la forma risultante potrebbe essere pressoché perfetta.
Gli antracoleimmi possono essere anche di origine animale: tra i vertebrati, un caso famoso è rappresentato dai numerosi resti di ittiosauri rinvenuti nel giacimento di Holzmaden in Germania: gli scheletri permineralizzati di questi rettili marini sono circondati da pellicole di carbone che hanno permesso di ricostruire interamente la forma del corpo, compresi il lembo superiore della coda e la pinna dorsale (privi di strutture scheletriche). Altri casi sono rappresentati da fossili delicati come ali di farfalle, graptoliti e pesci dallo scheletro cartilagineo.
I resti sepolti in fango organico producono fossili spesso ben riconoscibili come forma e come strutture cellulari solo se i processi diagenetici sono blandi. Con il procedere della diagenesi i fanghi organici, insieme ai resti vegetali o animali in essi inglobati, subiscono una omogeneizzazione e compressione tali da cancellare o distruggere ogni struttura riconoscibile. Ad esempio, nella torba sono perfettamente riconoscibili frammenti di carbone di legna con le cellule perfettamente conservate, anche se vuote, mentre nella lignite le cellule del carbone naturale fossile non sono deformate solo quando sono impregnate da sostanze organiche, che hanno impregnato le cellule del carbone riuscendo a impedire il collasso delle pareti cellulari nell’ambiente diagenetico delle ligniti. Gli enormi carichi imposti dalla situazione diagenetica che ha prodotto l’antracite, tuttavia, sono impossibili da sopportare. Superato lo studio della lignite, quindi, tutto viene omogeneizzato e nessun organismo è più riconoscibile.
Permineralizzazione La diagenesi spinta della materia organica non conduce sempre alla totale scomparsa delle cellule animali e vegetali. Se i resti organici vengono sepolti in fanghi di origine minerale, a volte acque interstiziali mineralizzate impregnano i tessuti, depositando all'interno delle cellule sali in forma amorfa o cristallina. Se questa precipitazione di minerali avviene durante le prime fasi di fermentazione anaerobica, prima che si verifichi la totale o parziale deformazione dei lumina cellulari, le strutture organiche mineralizzate in questo modo non potranno più deformarsi, nemmeno in seguito ai carichi di pressione della diagenesi avanzata. Questo processo è noto come permineralizzazione o permeazione cellulare, e ha permesso la formazione di fossili in cui è rimasta conservata anche la struttura cellulare; è un processo molto simile all'inglobamento artificiale che avviene in istologia per sezionare i tessuti, con la differenza che il mezzo inglobante in questo caso è costituito da paraffina o silicone e non da sostanza minerale amorfa o criptocristallina.
Alla permeazione cellulare possono prendere parte vari tipi di sostanze minerali presenti nei fluidi, come carbonato di calcio, silice, francolite, siderite o solfuri del ferro.
Concrezioni calcaree fossilifere Nelle argille marnose a basso contenuto di carbonato si possono trovare delle concrezioni, composte soprattutto da calcite e anche da siderite, che racchiudono al loro interno fossili. Queste concrezioni sono generalmente di forma arrotondata, sferoidali, discoidali o ellissoidali, ma a volte sono molto allungate. Solitamente sono lunghe qualche centimetro decina di centimetri, ma eccezionalmente possono essere lunghe alcuni metri (è il caso di concrezioni nodulari di dieci metri al cui interno sono stati ritrovati fossili di plesiosauri). I fossili che si rinvengono in queste strutture non sono schiacciati, e da ciò si può supporre che si siano formati negli stadi iniziali della diagenesi. Inoltre, le concrezioni contengono sempre resti di organismi, ed è quindi logico supporre che i resti giochino un ruolo fondamentale nella formazione delle concrezioniBerner, 1968. La spiegazione più probabile della loro genesi è la seguente: le proteine e le ammine, decomponendosi, liberano ammoniaca che forma un ambiente molto alcalino attorno all'animale sepolto nel sedimento. Poiché la solubilità dei carbonati decresce con l'aumentare del pH, le acque interstiziali (ricche di carbonato di calcio) vanno a depositare il carbonato all'interno dei tessuti del resto organico in decomposizione e negli interstizi del sedimento inglobante. La precipitazione della calcite riduce localmente la concentrazione di carbonato, originando un grandiente che attira nuovi ioni Ca2+ verso il fossile. Il processo continua fino al termine della produzione di ammoniaca o all'esaurimento dei carbonati. Anche la siderite può cristallizzare. Studi geochimici hanno indicato che lo ione Co2-3 all'interno delle concrezioni proviene da alterazione batterica della materia organica, d si suppone quindi che derivi dall'organismo stessoHodgson, 1966; Fritz et al., 1971.
Famosi esempi di questo tipo di concrezioni sono le coal balls del CarboniferoScott e Rex, 1985, il cui nome deriva dai giacimenti di carbone a cui sono associate; in queste concrezioni sono conservate tridimensionalmente anche strutture microscopiche degli organismi. Altri esempi sono le concrezioni ferrifere di Mazon Creek del Carbonifero superiore dell'Illinois: nei noduli di carbonato di ferro (siderite) si sono conservati resti di vegetali e una grande quantità di invertebrati, oltre a qualche vertebrato. Il fossile più famoso di questo giacimento è il misterioso Tullimonstrum, un essere vermiforme dal corpo molle, lungo meno di 10 centimetri e dotato di una lunga proboscide. Altre concrezioni notevoli provengono dal Permiano - Triassico del Madagascar e soprattutto dal Cretaceo inferiore del Brasile nordorientale, nella cosiddetta "formazione Santana", in cui vengono continuamente rinvenuti fossili di pesci perfettamente conservati e tridimensionali, ma anche pterosauri, coccodrilli, tartarughe e insettiCampos et al., 1984.