La Paleontología estudia los seres vivos que habitaron hace miles de años en el planeta Tierra y que dejaron la evidencia de su existencia en forma de fósiles (conchas, esqueletos, semillas, huellas…). La química complementa este análisis porque permite conocer la composición mineralógica de los materiales presentes en un fósil y el sedimento circundante, e investigar las transformaciones producidas en ellos al morir el ejemplar o por acontecimientos posteriores.

Se denomina fósil a una serie de evidencias materiales de vida en el pasado, ya sea un organismo completo, fragmentos de este, como por ejemplo una hoja, polen, un hueso; o la manifestación de su actividad orgánica, como huellas, huevos o coprolitos (heces petrificadas). Estas evidencias deben ser anteriores al final de la última glaciación, es decir, hace unos 13000 años (del neolítico en adelante se consideran ‘subfósiles’) para ser considerados fósiles. 

La Paleontología permite, por tanto, realizar estudios científicos y exploraciones de numeroso material. Estos estudios emplean herramientas para completar su información. La dinámica del proceso de fosilización, por ejemplo, se estudia mediante una disciplina paleontológica denominada Tafonomía y se emplea para comprender las características de un organismo y por qué se conserva tal cual.

La importancia de los fósiles

Estos hallazgos dan información de cómo el planeta y el medio ambiente han evolucionado a través del tiempo geológico (los continentes, antes conectados, han viajado por la superficie terrestre hasta sus posiciones actuales) y proporcionan evidencia de la adaptación y evolución de animales y plantas a sus entornos. Son, por tanto, un registro de cómo los seres vivos progresaron o se extinguieron en el transcurso del tiempo geológico, algo que puede representarse en un árbol de la vida que relaciona a todas las especies entre sí. 

El estudio de los fósiles se divide, pues, según el objetivo de la investigación, esto es, en función de la información que se pretende conseguir del registro fósil. De este modo, encontramos las siguientes ramas (o especialidades): 

• Paleontología evolutiva: pretende conocer cómo las especies han evolucionado hasta los ejemplares actuales, incluido el ser humano.
• Paleoecología: establece las relaciones entre diferentes especies (las cadenas tróficas) a través de los hallazgos fósiles de un yacimiento.
• Paleoclimatología: estudia el clima en el pasado gracias a la dependencia a determinadas condiciones climatológicas de ciertos grupos de especies.
• Bioestratigrafía: tiene por objeto determinar la relación entre estratos y fósiles gracias a que por el principio de la sucesión faunística, los estratos del terreno describen los organismos que son irrepetibles y exclusivos para un determinado estrato. Esto permite conocer la edad relativa de dos o más capas de roca en diferentes lugares del mismo país o de otra parte del mundo a partir, por ejemplo, de los registros de ammonites en un determinado estrato. Además, la antigüedad de los fósiles y de los estratos están relacionadas, a capas más profundas le corresponden ejemplares más antiguos.

Estos estudios se realizan en universidades, museos y centros de investigación además de exhibir algunos ejemplares al público. Por ejemplo, las universidades de Huelva, Jaen, Almería o Sevilla tienen incluso exposiciones virtuales de colecciones donde exhiben algunos fósiles, incluyendo hallazgos andaluces, ya que existen numerosas evidencias de la presencia de organismos marinos y terrestres debido a que Andalucía estuvo sumergida bajo el extenso Mar de Tethys hace entre 201 y 66 millones de años, por lo que la península ibérica era una isla de gran tamaño. 

Recreación de un Notosaurio típico del mar del Tethys. Reolid y Reolid, 2015. Vertebrados fósiles de Jaén. Museo Paleontológico Virtual de la Universidad de Jaén.

Las investigaciones que permiten comprender qué ocurre en un rastro de vida en el pasado, ya sea organismo u otro hallazgo, hasta que es transformado en fósil, implican el conocimiento de qué es la fosilización, cómo tiene lugar y de qué manera la química participa en todo este proceso.

¿Qué es la fosilización?

Los fósiles comprenden las evidencias de vida localizadas en un rango de tiempo bastante amplio, entre 10000 años y casi 4000 millones de años (los fósiles de estromatolitos son de los más antiguos conocidos, unos 3500 millones de años). La formación de un fósil conlleva una reacción físico-química en determinadas condiciones, donde unos materiales son transformados en otros. 

Los hallazgos pueden provenir de restos de animales (vertebrados e invertebrados), de vegetales o de la huella o impresión en un material. Esto recibe el nombre de icnofósil, que es la ‘pista fósil’ registrada en un sedimento u otro soporte natural, que ofrece información de su actividad o de su morfología. 

¿Cómo se produce?

El conjunto de cambios físicos y químicos que producen un resto preservado en el tiempo de, al menos, 10000 años de antigüedad, puede dividirse en cuatro grupos: según el ‘proceso geológico’ que tiene lugar; la transformación física que sufren los restos; si se observa o no el organismo en el hallazgo; y en función de la reacción química que tiene lugar en los materiales.

Existe, además, una relación entre el tipo de fosilización y el fósil que puede hallarse en base a varios factores: tipo de sedimento, naturaleza del material que fosiliza, condiciones de presión y temperatura, etc.. De este modo, es más común observar huellas en terrenos endurecidos como arenisca o pizarra o conchas petrificadas en calcarenita, también conocida como albero que en otro tipo de material. Las rocas fosilíferas donde aparecen estos vestigios son por tanto sobre todo sedimentarias (areniscas, calizas, pizarras, depósitos de sal, carbón, etc.) y se producen a partir de sedimentos por el proceso de diagénesis.

Así, la transformación en fósil puede obtenerse en función de cuatro procesos diferentes de fosilización: 

1. Según el proceso geológico 

El tipo y composición del sedimento distingue tres tipos de fosilización: 

• Permineralización o petrificación. En este caso se observa una copia fiel en piedra del organismo, de algunas de sus partes duras (huesos, dientes, caparazones y conchas), o huevos, plantas y frutos. La mayoría de hallazgos son partes duras, aunque puede darse petrificación de partes blandas como embriones y ciertos órganos carnosos en determinadas condiciones excepcionales de fosilización. La petrificación ocurre en lechos de ríos y pantanos donde capas de sedimentos sepultan la materia orgánica, la conservan y se produce la sustitución de las partes por los minerales circundantes. 
• Inclusión. Es el aprisionamiento dentro de materiales que permiten la conservación intacta del espécimen. Dentro de este tipo está:
  • La congelación, como ocurre con los mamuts en zonas de permafrost y glaciares.
  • La momificación, que tiene lugar debido a la deshidratación por altas temperaturas.
  • La conservación en ámbar o brea, que permite recuperar al ejemplar intacto, con partes blandas e información genética.
• Impresión o huella. Ocurren en superficies blandas como lodo, arcilla o piedra caliza. Estas se recubren con sedimentos que se endurecen y queda la impresión del organismo o de una fracción de este.

Recreación de un arcosaurio y el rastro de huellas. J. Reolid. Museo Paleontológico Virtual de la Universidad de Jaén

2. Transformación física 

Esta clasificación de los fósiles permite identificar el origen de daños que presentan los ejemplares de un yacimiento y abarca varios tipos:

•  La desarticulación o desmembramiento  de manera natural de  las articulaciones de los esqueletos por la descomposición de los ligamentos. Puede ocurrir porque la putrefacción infla los tejidos, se da el colapso de la carcasa y la dispersión de las piezas esqueléticas por agentes externos como el agua. También es posible la fragmentación intencionada debido a la depredación o el impacto físico (estrías por pisoteos, depredación o carroñeo). 
• La ‘bioerosión’, afecta al sustrato completo como ‘bioturbación’ y se produce cuando un organismo  busca hogar o alimento  en el sedimento.Así, se observan canales y agujeros de organismos acuáticos de mares poco profundos. También se da en herbívoros y carnívoros al dejar rastros en los ejemplares previo a su fosilización. En este caso se observa la corrosión química en restos regurgitados o excretados y marcas de roído, mordida o masticación en restos óseos como arañazos, muescas o estrías.
• La abrasión de agentes externos genera un desgaste mecánico de los elementos conservados por acción de agua, viento o rozamiento entre varios elementos al ser removidos. La superficie externa queda pulida, redondeada, desgastada en sus relieves positivos en su totalidad o de manera parcial (facetas de anclaje, de rodamiento y de deslizamiento), acrecentando el suavizado de las formas y pérdida de detalle por la fragilidad de la estructura 
• La corrosión de los huesos por el ataque de minerales presentes en los sedimentos que producen la disolución de la superficie o la acción de raíces de plantas al segregar sustancias ácidas para facilitar la absorción de nutrientes para su crecimiento (surcos y manchas). También la ubicación en el interior de cuevas genera en los organismos daños de este y otro tipo, como son costras carbonatadas.

3. Estructuras, moldes y sustancias

Los hallazgos fósiles se pueden clasificar según se dé o no la presencia corporal del organismo (si existe su estructura conservada y mineralizada). Si lo que se observa es una textura impresa queda en este caso un molde externo y si lo que vemos es el relleno del espacio donde estuvo la materia orgánica se trata de uno interno. También puede darse la transformación que genera sustancias fósiles como petróleo, gas natural o carbón (grafito, diamante, calcita, etc.), por la acción de altas temperaturas y presiones y cambios físico-químicos y geológicos, empleados hoy día como fuentes de energía fósiles. 

En la imagen se presenta el corte de una concha de bivalvo y posibles fósiles mediante combinaciones de sustitución del material original tras quedar enterrado en el sedimento. Se producen así diferentes moldes internos, externos y réplicas del original. Imagen adaptada de E. Vicens y O. Oms, Asociación Española para la Enseñanza de las Ciencias de la Tierra.

4. Reacciones químicas 

En último lugar, la fosilización puede explicarse desde el punto de vista del proceso químico que tiene lugar. Esto explica la presencia de minerales como calcita o pirita allá donde existían  sustancias orgánicas como hueso o concha.

• CARBONATACIÓN

Es un proceso muy común que sustituye las partes duras de los organismos  (esqueletos y conchas) por carbonato de calcio (CaCO3) como cristal de calcita, el mineral más habitual en las rocas sedimentarias. Aparece en fósiles de invertebrados, como los corales, junto con el aragonito de muchos moluscos, que acaba como calcita por ser esta más estable en el tiempo geológico (lo que se conoce como ‘inversión mineralógica’). Esto lo convierte en el proceso más frecuente de fosilización, al ser rápido y preservar muy bien los detalles de las piezas.

Erizo ‘Clypeaster campanulatus’. Mioceno superior. Niebla (Huelva). Museo Virtual de Paleontología de la universidad de Huelva.

• ‘SILICIFICACIÓN’

Aquí es protagonista la sílice (SiO2) disuelta en el agua, en sedimentos o proveniente de cenizas de erupciones volcánicas. Conforma el grupo de minerales más abundante y variado de la corteza terrestre.  Esta se deposita en la superficie, poros e intersticios de un organismo, y cristaliza bien como la forma más extendida la calcedonia por su estabilidad, o como ópalo (xilópalo cuando el fósil es un tronco) encontrando así, además de árboles, otros organismos como foraminíferos (bacterias), equínidos (erizos), ammonites, braquiópodos (bivalbos parecidos a almejas) y gasterópodos (caracoles) en rocas calizas. Estos invertebrados, que estaban con frecuencia protegidos con un exoesqueleto (esqueleto externo), pueden haber fosilizado en un principio mediante carbonatación pueden experimentar reemplazamiento por sílice (en ese caso se generan en ellas estructuras a modo de anillos concéntricos llamadas ‘anillos de beekita’).

Tronco de araucaria. Cuaternario. Almadén de la Plata (Sevilla). Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico – IAPH

• ‘PIRITIZACIÓN’

Este nombre hace referencia al mineral de pirita (el oro de los tontos), que contiene hierro y azufre y está relacionada con la generación de ácido sulfhídrico (H2S), que puede producirse en un organismo al descomponerse en ausencia de oxígeno (anoxia). El proceso tiene lugar en medio salino como el fondo marino. Los ejemplares que acaban allí, si existen sales de hierro disueltas en el medio en contacto con el ejemplar,  pueden generar sulfuros de hierro en sus tejidos y conchas (FeS, Fe2S3) que cristalizan más tarde en minerales de pirita (FeS2) y marcasita, sustituyendo a las conchas y caparazones. Se han encontrado, por ejemplo, amonites con aspecto metálico como el de la imagen. Esto se da de manera excepcional si la superficie se conserva inalterada, aunque también pueden dañarse en contacto con la atmósfera (limonitizados y oxidados) sobre todo si han fosilizado como mineral marcasita, más sensible a las condiciones externas.

Ammonitte. Jurásico. Rusia. Instituto Geominero de Madrid.

• FOSFATACIÓN

Es típico encontrar este proceso en fósiles de vertebrados y coprolitos. Tanto los esqueletos como las heces de carnívoros (al contener fragmentos de huesos) presentan este proceso combinándolo con carbonatos. Los huesos están formados por fosfato de calcio en forma de apatita (bioapatita). El proceso de fosilización durante el cual se conserva el hueso se puede dividir en dos etapas principales, denominadas ‘diágenesis’ temprana y tardía, que se diferencian por los cambios en el entorno químico y la composición ósea: En la primera se reemplazan los tejidos orgánicos casi por completo por minerales. A este proceso le sigue la diagénesis tardía, con el relleno de cavidades óseas, tales como o grietas, por minerales secundarios como el carbonato. Fósiles característicos de este tipo se pueden observar en dientes de tiburón y huesos. Los lugares que presentan grandes acumulaciones de estos organismos son rocas y antiguos lechos marinos y de ríos como las actuales minas de fosfatos.

Isurus hastalis. Mioceno superior. Osuna (Sevilla). Museo Virtual de Paleontología de la Universidad de Huelva.

• CARBONIFICACIÓN

Durante el proceso de fosilización puede darse una reacción donde los restos orgánicos incrementan la cantidad de carbono respecto a su composición original (‘humus’ en restos vegetales y ‘sapropeles’ en restos animales) denominada carbonificación. Si las condiciones de presión y temperatura son elevadas (hasta 400ºC), aparecen hidrocarburos como el petróleo y carbón como lignito, hulla o antracita. La transformación que sigue a partir de aquí implica la aparición de grafito conservando aún algunos elementos en ellos. 

Se trata del proceso más común en especies vegetales. Un ejemplo son los bosques paleozoicos del periodo carbonífero, que permitieron la formación de la mayor parte de las minas actuales de carbón (turba, grafito, antracita, etc.). Esto se debe a la elevada cantidad de acumulación de troncos y restos vegetales con celulosa en ambiente con ‘anoxia’ (ausencia de oxígeno) y otras condiciones como alta presión y posibilidad de sustituir los componentes por carbono. También fue habitual con artrópodos con exoesqueleto de quitina.

Helecho Pecopteris polymorpha. Carbonífero Estefaniense. Carrasconte, Mina Nueva (León). Universidad de Almería.

La ciencia detrás de los fósiles es muy interesante. Los procesos que tienen lugar para que se dé la fosilización de una evidencia de vida en el pasado son complejos y, aunque parezcan poco probables, estas evidencias han aparecido durante mucho tiempo en hallazgos de todo tipo y siguen apareciendo en la actualidad. Conocer la relación de la química con los diferentes materiales de los fósiles y poder ubicarlos en la era geológica correspondiente permite avanzar en la ciencia y mejorar el conocimiento no solo de la fauna y flora de épocas remotas, sino del origen del ser humano, de cómo evolucionó el clima en la Tierra, apoyar la deriva continental y entender los linajes evolutivos.

Video del FECYT: ¿Qué es un fósil?

Referencias:

Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico – IAPH

Instituto Geominero de Madrid

Museo Virtual de Paleontología de la Universidad de Huelva

Patrimonio Cultural de la Universidad de Almería

Museo Paleontológico Virtual de la Universidad de Jaén

Universidad de Córdoba

British Geological Survey

Museo Nacional de Ciencias Naturales. CSIC

Museo de Fósiles y Minerales de Elgoibar, Vizcaya.

Consejería de Educación y Cultura de la Región de Murcia

Fundación Descubre: Aparecen en Marruecos restos de trilobites, animales marinos extintos, sepultados por cenizas volcánicas

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Agencia Sinc.es: Un nuevo fosil de artropodo dorado se preserva en pirita de forma extraordinaria

https://sciencemediacentre.es/recuperan-por-primera-vez-el-adn-de-un-mamut-con-su-estructura-en-forma-de-cromosomas

Fundación Descubre: Estromatolitos, los primeros pulmones de la tierra y un espejo donde examinar proximos hallazgos en marte/

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