Fósseis

Entendendo o clima e ecossistemas passados



Um estudo de caso dos depósitos de Mio-Pliocene no West Coast Fossil Park, África do Sulpor Alexandra Guth, Universidade Tecnológica de Michigan

Reconstruindo um ambiente: Os cientistas combinam muitas evidências para entender o passado da Terra. Os fósseis (A) mostram especificamente quais animais viviam em uma região, enquanto os sedimentos ao redor dos ossos fornecem pistas importantes sobre o ambiente deposicional. Os ossos podem ser analisados ​​posteriormente por suas composições isotópicas, que são influenciadas por quais plantas o animal consumiu enquanto estava vivo (B). Além disso, o pólen liberado pelas plantas tende a ser prontamente preservado no registro geológico, fornecendo um registro detalhado das comunidades florais passadas. Todas essas evidências podem ser combinadas para criar reconstruções detalhadas de ambientes que existiam milhões de anos atrás (C).

Parque Fóssil da Costa Oeste: Mapa de localização mostrando a elevação da África (1) com a região do Cabo Ocidental da África do Sul (2) expandida. No mapa 2, a estrela laranja do sul é a localização da Cidade do Cabo, e a estrela azul do norte representa o Parque Fóssil da Costa Oeste. A região do subconjunto 3 é expandida para mostrar as condições atuais do nível do mar (3A) e a situação há 5,2 milhões de anos atrás, quando o nível do mar era ~ 30 metros mais alto que o atual (3B). Naquela época, o local ocupado pelo parque fóssil estaria perto da costa, onde o antigo rio Berg desaguava no Atlântico. O mapa base da Elevação da África é do conjunto de dados CleanTOPO2 e as imagens de satélite são o Landsat GeoCover da NASA, por volta de 2000.

Introdução

Como sabemos como era a Terra antiga antes de as pessoas estarem por perto para testemunhar e registrar condições? Uma das principais maneiras pelas quais os geocientistas desvendam climas e ecossistemas passados ​​é a realização de estudos detalhados de depósitos que contêm os restos preservados de plantas e animais antigos.

A formação de fósseis é geralmente uma ocorrência rara, portanto, encontrar bolsões de restos fósseis concentrados ou altamente detalhados é cientificamente valioso. Os depósitos fósseis notáveis ​​por sua diversidade ou detalhes são chamados Lagerstätten (alemão para 'motherlode' ou 'local de armazenamento'), que podem ser divididos em dois tipos principais.

Konservat-Lagerstätten são locais onde os detalhes finos de um organismo são conservado (observe a semelhança entre o alemão e o equivalente em itálico e inglês). Nesses locais, as partes moles de um organismo, que normalmente se deterioram, são registradas como impressões ou filmes de carbono. Exemplos bem conhecidos desses depósitos são o xisto de Burgess, na Colúmbia Britânica, e a formação do rio Green, no oeste dos EUA.

A segunda variedade é a Konzentrat-Lagerstätte, que é um local onde há uma grande concentração de ossos. Embora esses locais não forneçam muitos detalhes finos dos organismos, eles podem vislumbrar um ecossistema antigo, concentrando os ossos de animais que normalmente estariam espalhados por uma ampla área. Os exemplos incluem as exposições da Formação Jurídica de Morrison no monumento Dinosaur National, em Utah, e o leito ósseo de Sharktooth Hill, com 15 a 16 milhões de anos, na Califórnia.

Outro exemplo de um Konzentrat-Lagerstätten é encontrado nos depósitos de sedimentos da Formação Langebaanweg no Parque Fóssil da Costa Oeste, na África do Sul. Os numerosos restos desses leitos fossilíferos fornecem informações importantes sobre as comunidades biológicas e o clima da região há cerca de 5 milhões de anos.

Descoberta e desenvolvimento de sites

Originalmente uma mina de fosfato, os fósseis foram descobertos no final dos anos 50. Hoje, os fosfatos são extraídos principalmente para uso em fertilizantes, e o ácido fosfórico é comumente usado em refrigerantes. Essas rochas, no entanto, foram inicialmente extraídas para uso em armamentos da Segunda Guerra Mundial.

Depósitos sedimentares de fosfato são produzidos em regiões de alta produtividade biológica marinha, como as modernas plataformas continentais. Devido a mudanças nas condições, o nível do mar, neste caso, regiões anteriormente subaquáticas estão agora expostas em terra e acessíveis para detecção e escavação. A mineração ativa no local fóssil cessou em 1993, quando a mina foi fechada, e a área onde os fósseis foram descobertos foi reservada como Monumento Nacional (que logo se tornaria Patrimônio Nacional). A atividade de mineração pode ter destruído 80% dos fósseis neste local, mas ainda existem cerca de 1 milhão de espécimes preservados nas coleções do Iziko South African Museum.

Rocha fosfática com material orgânico: Uma escala de centímetro ao lado da rocha fosfática. Os grãos vermelhos representam o material orgânico fosfatado. Foto de Alexandra Guth.

Formando um Konzentrat-Lagerstätte

É comum visualizar o processo de fossilização como um único animal morrendo e sendo enterrado no local. Enquanto alguns animais morriam diretamente nas planícies de inundação que existiam no local, muitos dos restos mortais do Parque Fóssil da Costa Oeste foram movidos e concentrados pela água nesse único local ao longo do tempo.

Provavelmente, o "ancestral" do rio Berg esvaziou o Atlântico perto do parque atual, quando os ossos foram depositados. Uma barra de areia no mar pode ter impedido que os restos fossem levados para o mar e também pode ter atuado simultaneamente para capturar os restos lavados do oceano.

Reconstruindo um ambiente

Diferentes animais e plantas têm necessidades variadas de habitat; assim, identificar os restos para estabelecer qual comunidade está presente fornece pistas sobre os ecossistemas passados. Essa tarefa se torna mais difícil para depósitos que representam uma fauna totalmente extinta (como os dinossauros da formação Jurassic Morrison), mas os restos mortais no Parque Fóssil da Costa Oeste têm apenas 5 milhões de anos. Embora a maioria das espécies preservadas no parque sejam extintas, elas estão intimamente relacionadas às espécies modernas.

Em termos de identificação de um animal, você não precisa de 100% dos ossos de um indivíduo para identificá-lo com confiança. Isso é particularmente importante, pois esqueletos inteiros não são comumente encontrados, especialmente em Konzentrat-Lagerstätten, onde os ossos foram desarticulados e transportados. Geralmente, existe um viés de preservação adicional, onde pequenos ossos delicados são destruídos durante o transporte, enquanto ossos mais grossos e mais resistentes têm maior probabilidade de permanecer intactos. Apesar dessas dificuldades, os paleontólogos são bem-sucedidos na classificação e identificação de ossos para retratar a comunidade antiga.

Os animais encontrados no Parque Fóssil da Costa Oeste indicam que a área estava perto dos limites da terra e do oceano, uma vez que tanto os animais marinhos (por exemplo, focas, tubarão-megalodonte, 4 espécies de pinguins) quanto os mamíferos terrestres (por exemplo, girafa de pescoço curto, aardvark) , hiena, hipopótamo, mamute, antílope, cavalo de três dedos, gato com dentes de sabre) foram encontrados juntos. A presença adicional de sapos (pelo menos 8, talvez até 12 espécies estão representadas nos depósitos) indica que deve ter havido água doce parada. Enquanto muitas espécies de sapos exibem alguma tolerância à água salina, não há anfíbios conhecidos que habitam habitats puramente marinhos.

Cama óssea: A cama óssea in situ exibida no West Coast Fossil Park, África do Sul. O osso da mandíbula no centro pertencia a um Sivathere, um parente extinto da girafa moderna. A corda marca uma grade de 1 metro.

Isótopos de carbono: Mais do que apenas namoro com idade

Uma compreensão mais detalhada pode vir do exame dos isótopos de carbono preservados nos ossos e dentes. Embora a maioria das pessoas esteja familiarizada com o isótopo C-14 devido ao seu uso em datar restos recentes (veja a discussão abaixo), o carbono tem dois isótopos mais comuns, e não radioativos. C-12 é o isótopo mais comum de carbono, com C-13 sendo um isótopo estável secundário. Por serem estáveis, não decaem com o tempo.

Grupos de plantas diferentes têm proporções distintas de isótopos de carbono que podem ser usados ​​como impressão digital para paleodieta de animais antigos. O carbono nas plantas é usado para construir ossos e dentes, de modo que as proporções nas plantas sejam refletidas nos ossos dos animais que os consomem.

Essas diferentes assinaturas isotópicas são devidas às diferentes vias metabólicas usadas pelas plantas. Muitas gramíneas são geologicamente recentes e são "plantas C4", enquanto árvores e plantas herbáceas são "plantas C3". Uma savana é composta de plantas C4 e C3, pois existem árvores, arbustos e gramíneas. Uma floresta, por outro lado, será predominantemente plantas C3. Uma flora exclusiva da África do Sul é o fynbos (pronunciado: “finebose”), que também é C3.

Um animal que consome principalmente plantas C3 terá uma proporção de isótopo de carbono diferente em seus ossos do que um animal que come principalmente plantas C4. As análises feitas sobre os restos de ungulados (mamíferos com cascos: hipopótamos, antílopes, girafas, porcos, etc.) indicam que o ambiente presente no parque fóssil há 5 milhões de anos era dominado por plantas C3.

Pólen

Enquanto a análise isotópica indicava que a região não era dominada por gramíneas, não era possível diferenciar entre árvores, arbustos e fynbos. Felizmente, o pólen liberado pelas plantas é tipicamente abundante e bem preservado nos sedimentos.

O pólen, diferentemente das proporções isotópicas, pode identificar exclusivamente uma família ou gênero de plantas que estava presente na área. Como um bônus adicional, diferentemente de plantas maiores, como madeira ou folhas, o pólen é facilmente transportado pelo vento e pela água e, portanto, se espalha amplamente a partir da localização de uma planta. Embora você nunca encontre uma folha fóssil de uma planta individual, é muito mais provável que encontre seu pólen.

A análise do pólen no Fossil Park indica que a região há 5 milhões de anos inclui as famílias de plantas herbáceas Ranunculaceae (por exemplo, botões de ouro), Cyperaceae (sedges, por exemplo, papiro), Asteraceae (por exemplo, margaridas) e Umbelliferae (por exemplo, salsa, rendas da rainha Anne). A combinação dessas famílias botânicas foi usada para inferir um habitat de planície costeira. A presença das famílias de plantas Asteraceae, Chenopodiaceae (goosefoot) e Amaranthaceae (amaranto) indicou adicionalmente condições mais secas. Também estava presente pólen de árvores da família Proteaceae (por exemplo, protea), bem como dos gêneros Podocarpus (por exemplo, madeira amarela) e Olea (por exemplo, oliveira e madeira de ferro).

A presença de todo esse pólen fornece uma imagem das comunidades vegetais que habitavam a região no momento em que os sedimentos fossilíferos foram depositados. Saber quais plantas e animais estavam presentes no momento pode ser usado para indicar o ambiente passado.

O problema de datação por idade de Goldilocks

O carbono-14 é o isótopo radioativo de carbono (que ocorre naturalmente) que é o método mais conhecido popularmente para datar materiais antigos. No entanto, a grande maioria do registro de rochas não pode ser datada com essa técnica, porque a meia-vida do C-14 é muito curta e também requer a presença do material orgânico original (enquanto a fossilização substitui o material orgânico original por mais minerais duráveis). Quando o material orgânico tem 75.000 anos, resta muito pouco C-14 na amostra para medir com segurança.

O isótopo radioativo do potássio (K-40) tem uma meia-vida muito mais longa que o C-14 e está presente em rochas ígneas. Assim, as técnicas que envolvem o potássio e seu produto-filha Argon podem ser usadas em materiais que surgiram de vulcões há mais de 100.000 anos (porque a meia-vida é muito longa, essa técnica não pode ser usada em materiais muito jovens, porque uma fração tão pequena do potássio original decaiu e não podemos mensurá-lo com precisão).

Infelizmente, a África do Sul não era vulcanicamente ativa durante o período em que esses animais morreram; portanto, os sedimentos não podem ser datados diretamente usando potássio-argônio. No entanto, outros métodos que envolvem padrões de mudança do nível do mar, paleomagnetismo e fósseis podem ser usados ​​para indicar a idade dos sedimentos.

Vinculando idades com fósseis

A bioestratigrafia é um método de ordenar o registro de rochas com base no animal permanece presente e é uma alternativa útil para fornecer restrições de idade em rochas fossilíferas. Algumas linhagens de animais, como porcos e elefantes, parecem mudar rapidamente (no sentido geológico), portanto, identificar diferentes conjuntos desses animais pode ajudar a identificar a idade das rochas.

Pistas de animais fósseis restringem a idade dos sedimentos do West Coast Fossil Park a cerca de 5,2 milhões de anos atrás. O suyan (porco) Nyanzachoerus kanamensis foi encontrado na África Oriental e no parque fóssil. Devido à divisão ativa e à atividade vulcânica associada na África Oriental, uma data de idade absoluta (como podemos atribuir um número a ela) foi associada a essa espécie. Como a família de porcos estava passando por mudanças geologicamente rápidas, descobrindo essas espécies, podemos dizer algo sobre a idade dos sedimentos no parque.

Mais Informações
1 Análises de isótopos e as histórias de milho: Robert H. Tykot, capítulo 10 em: J.E. Staller, R.H. Tykot e B.F. Benz (editores), Histórias do milho: abordagens multidisciplinares da pré-história, linguística, biogeografia, domesticação e evolução do milho, Academic Press (Elsevier), 2009.
2 As Rochas e Minerais da Cidade do Cabo: J.S. Compton, Double Storey Books, Cidade do Cabo, África do Sul, 112 páginas, 2004.
3 CleanTOPO2: Dados de elevação mundial editados do SRTM30 Plus: Tom Patterson, Serviço Nacional de Parques dos EUA, 2013.
4 Contexto regional e global do sítio paleontológico Langebaanweg tardio Cenozóico (LBW): Costa Oeste da África do Sul: David L. Roberts, et al., Earth-Science Reviews, Volume 106: 3-4, páginas 191-214, 2011.
5 Meio ambiente 5-5,2 milhões de anos atrás: artigo no site do West Coast Fossil Park, acessado pela última vez em dezembro de 2016.

Conclusões

A reconstrução de um ambiente pode muitas vezes se resumir a pequenos detalhes: assinaturas isotópicas nos ossos, padrões de microwear nos dentes (arranhões na superfície dos dentes podem indicar se o animal era um grazer, navegador ou alimentador de modo misto), assembléias de pólen em sedimentos etc ...

No momento, o parque existe em um clima mediterrâneo e está localizado a mais de 10 km do oceano. No entanto, todas as evidências combinadas indicam que, cinco milhões de anos atrás, o Parque Fóssil da Costa Oeste teria existido em uma floresta subtropical perto de onde um antigo rio Berg desaguava no Atlântico.

Restos de animais combinados com pistas microscópicas e químicas criam uma imagem coesa de como era essa região, embora nenhum humano estivesse por perto para testemunhá-la diretamente. É dessa maneira que os geocientistas desvendam os mistérios da vida passada e do clima da Terra.

Hoje, esses fósseis podem ser vistos in situ (no local) no West Coast Fossil Park, na África do Sul, e os hóspedes podem até ajudar a completar o quadro ambiental, procurando microfósseis de pássaros, sapos, roedores e muitos outros pequenos animais na peneira telas. Quaisquer achados são adicionados às coleções do museu - os visitantes não podem coletar amostras para si mesmos, pois todos os fósseis são protegidos pelo estado da África do Sul.

Parque Fóssil da Costa Oeste

O West Coast Fossil Park está localizado a 120 km ao norte da Cidade do Cabo, na África do Sul. O site deles contém informações abundantes sobre o site, instruções detalhadas, informações sobre pesquisas acontecendo no local, além de animações educacionais e planilhas. A autora deste artigo gostaria de agradecer à gerente do Parque Fóssil, Pippa Haarhoff, por sua ajuda e incentivo.

Sobre o autor

Alex Guth é PhD pela Universidade Tecnológica de Michigan e sua dissertação se concentrou na evolução vulcânica do Rift no Quênia. Ela visitou a região de Western Cape na África do Sul várias vezes para ajudar seu orientador no campo de geologia, e sua pesquisa na África levou a várias oportunidades de trabalhar com a National Geographic. Seu site pode ser visto em: //www.geo.mtu.edu/~alguth/