07. Fossili, rocce, minerali, cristalli dal '700 a oggi
Introduzione
Nella lezione abbiamo visto che sull'origine delle rocce le idee degli studiosi erano decisamente diverse, in particolare per quelle che venivano chiamate "rocce cristalline" o "rocce primarie".
Nel 17** Werner afferma:
"riepilogando lo stato delle conoscenze attuali , è evidente che sappiamo con certezza che le rocce secondarie ("floetz", n.d.r.) e le montagne primitive sono state prodotte da una serie di precipitazioni e deposizioni successive di cristalli dall'acqua che copriva il globo. Siamo anche certi del fatto che i fossili (cioè i minerali) che costituiscono gli strati delle montagne erano disciolti in quest'acqua universale e precipitarono da essa; di conseguenza, anche i metalli e i minerali che si trovano nelle rocce primitive e secondarie erano contenuti in questo solvente universale e si formarono da questo per precipitazione. Siamo inoltre certi del fatto che fossili diversi si sono formati in periodi diversi; in un certo momento minerali terrosi, in un altro minerali metallici, in un terzo momento altri fossili. Dalle posizioni di questi fossili, gli uni sugli altri, sappiamo anche determinare con la massima precisione quali sono i precipitati più antichi e quali i più recenti."
Primo esercizio della lezione: individuare "gli errori" del brano precedente
Secondo esercizio: dare la definizione di fossile, roccia, minerale, cristallo
Il concetto di fossile nel tempo
La definizione che avete dato a lezione è: qualsiasi evidenza, impronta o resti di piante o di animali (estinti o anche attualmente esistenti) o di loro prodotti, conservati negli strati della crosta terrestre per un tempo sufficiente da subire un processo di mineralizzazione.
La parola "fossile" deriva dal latino e significa "che si ottiene scavando".
Il termine "fossile" è stato usato con questa accezione fino alla fine del XVIII secolo, indicando quindi indifferentemente rocce, minerali, oltre che fossili in senso stretto.
Abbiamo già visto, parlando di Stenone, che l'origine dei fossili è stata per lungo tempo un mistero. L'interpretazione medioevale dei fossili era che si fossero formati direttamente all'interno delle rocce e dei terreni in cui venivano trovati, generati da una forza (vis formativa) che li avrebbe creati dal nulla. La somiglianza con organismi viventi era invece alla base dell'altra teoria, che cioè tutti i fossili fossero i resti di organismi viventi trascinati dalle acque del diluvio universale, quando il livello del mare avrebbe raggiunto località e quote che dopo il diluvio si sarebbero invece trovate lontano dalle acque marine.
L'origine organica dei fossili era già stata indicata da altri prima di Stenone: per esempio da Leonardo da Vinci (1452-1519), che fa osservazioni molto precise sulla giacitura e sull'aspetto dei fossili, concludendo che nessuna delle due teorie generalmente accettate era corretta.
Più o meno negli stessi anni in cui Stenone scriveva il De solido, un altro scienziato arrivava alle sue stesse conclusioni per quanto riguarda l'origine dei fossili. L'inglese Robert Hooke (1635-1703), tra i molti altri problemi scientifici di cui si era occupato con successo, aveva costruito i primi microscopi composti (in ottica si definisce composto un microscopio formato da due lenti o gruppi di lenti). Osserva e disegna le microstrutture dei fossili e nel 1665 suggerisce che i fossili potrebbero servire per confrontare le età delle rocce che li ospitano. Nota inoltre che molti fossili non corrispondevano ad organismi viventi e ipotizza che le specie avessero un certo "intervallo di vita". Nei cento anni successivi, pur tra mille difficoltà (e anche con storie famose di falsi fossili e rivalità accademiche), le scoperte paleontologiche provarono che "esseri vissuti in passato erano scomparsi. L’immagine di un mondo immutabile e relativamente giovane era stata ormai definitivamente compromessa. Le collezioni naturalistiche di prìncipi e signori si arricchivano di fossili; le scoperte di animali “pre-adamitici” appassionavano chiunque avesse un minimo di cultura; ed anche nei salotti borghesi si seguiva con attenzione il dibattito filosofico che ne scaturiva." (link) . Particolare sensazione destò, nell’anno 1770, il ritrovamento di una enorme mandibola di un “mostro pre-adamitico” (in realtà un Mosasauro), avvenuto a Maastricht, in Olanda, in una cava di gesso a 450 m di profondità. Inizialmente classificato come balena, fu poi attribuito ad una enorme lucertola marina oggi scomparsa. Fu poi Georges Cuvier, nel 1808 a Parigi a riconoscerne la natura, confermando l'idea di un rettile marino oggi estinto. L'estinzione di queste enormi creature era secondo Cuvier una prova della teoria del catastrofismo, in opposizione all'uniformismo di Hutton.Tra la fine del '700 e l'inizio dell'800
Nei primi decenni dell'800 la paleontologia dei grandi vertebrati progredì anche grazie al lavoro della giovane Mary Anning (1799 -1847), pioniera nella ricerca degli scheletri fossili di organismi marini del Mesozoico, di cui divenne una osservatrice esperta. Trovò i primi scheletri di ittiosauro, plesiosauro e pterodattilo, oltre a nuove specie di pesci fossili.
I fossili: la chiave della macchina del tempo
"Nella seconda metà del ‘700 le scoperte paleontologiche avevano ormai provato che esseri vissuti in passato erano scomparsi. L’immagine di un mondo immutabile e relativamente giovane era stata ormai definitivamente compromessa. Le collezioni naturalistiche di prìncipi e signori si arricchivano di fossili; le scoperte di animali “preadamitici” appassionavano chiunque avesse un minimo di cultura; ed anche nei salotti borghesi si seguiva con attenzione il dibattito filosofico che ne scaturiva. Ovunque gli appassionati divenivano cercatori e collezionisti.
Particolare sensazione destò, nell’anno 1770, il ritrovamento di una enorma mandibola di un “mostro preadamitico” (in realtà un Mosasauro), avvenuto a Maastricht, in Olanda, in una cava di gesso a 450 m di profondità. Questo fossile ebbe storia avventurosa.
Fu scavato dal Dr. Hoffmann, un medico militare tedesco in pensione, collezionista e Corrispondente del Museo Teyler di Haarlem. Per studiarlo, Hoffmann ricorse all’aiuto dell’anatomista olandese Pieter Camper, che lo prese per una balena. Ma Camper fu presto smentito dal suo stesso figlio Adrien Camper che, con grandissimo scalpore di tutti, dichiarò trattarsi di una mostruosa lucertola marina oggi scomparsa.
Intervenne allora il Canonico Godin, padrone del terreno sopra alla cava, che, invocando i suoi diritti feudali (ma la rivoluzione francese era alle porte, come vedremo ben presto!), trascinò in giudizio Hoffmann e gli sottrasse il fossile, per esporlo in un’urna di vetro e mostrarlo ai curiosi, ovviamente a pagamento. Il fossile pre-adamitico era dunque sottratto alle elucubrazioni blasfeme degli scienziati, con vantaggio della Chiesa e, quel più conta, del Canonico Godin. Giustizia fu fatta, come abbiamo anticipato, dalla rivoluzione francese, quando i repubblicani invasero la città e il Cittadino Generale Pichegru promise 600 bottiglie di vino pregiato a quel soldato che gli avesse portato il famoso fossile. La qual cosa avvenne ben presto, così che il “mostro” fu portato a Parigi, dove il grande anatomista Cuvier poté esaminarlo e riconoscerne la natura.
Tanto, dunque, le vecchie idee erano in crisi che perfino i soldati di un esercito rivoluzionario avevano la piena coscienza della importanza dei ritrovamenti paleontologici, del potenziale dirompente che essi costituivano nello scontro tra due diversi modi di vedere il mondo. "
da Tongiorgi, 1996 (testo completo qui)
Il concetto di roccia nel tempo
La definizione data a lezione è: una roccia è un aggregato naturale di minerali; dal punto di vista chimico si parla di "miscuglio eterogeneo"
Per molti secoli sono state indistinte dai minerali veri e propri.
Si deve a Werner (di cui abbiamo parlato a proposito del nettunismo) la distinzione tra i minerali e le rocce in cui, oltre alla parte mineralogica, era importante l'aspetto della "tessitura".
L'origine delle rocce magmatiche fu negata per molto tempo dai nettunisti, ma affermata con successo dalla corrente di pensiero plutonista. Con osservazioni di campagna e di laboratorio, Hutton provò, ad esempio, che quelle che verranno chiamate “rocce ignee” derivavano dal raffreddamento di materiali fusi; sua è la prima accurata distinzione tra rocce ignee e rocce sedimentarie e forse anche l’intuizione di quello che oggi chiamiamo metamorfismo.
Riferimenti alla storia della petrografia sono disponibili nel sito Euromin Project (vedi dopo).
La classificazione attuale delle rocce si basa sulla loro genesi (sedimentaria, ignea, metamorfica) e segue le linee guida delle sottocommissioni a questo preposte dalla IUGS (Unione Internazionale delle Società Geologiche)
Il concetto di minerale nel tempo
La definizione data a lezione è: Un minerale è un corpo naturale, solido, omogeneo sia nella composizione chimica, sia nelle proprietà fisiche, cristallino.
Le proprietà macroscopiche dei minerali sono riportate qui: Proprietà fisiche dei minerali
Lo studio dei minerali è molto antico, dal momento che i minerali hanno sempre rappresentato una risorsa economica e hanno sempre attratto per le loro proprietà, anche estetiche.
La storia della mineralogia è stata oggetto di un progetto congiunto di vari musei europei, che hanno reso disponibili in rete le informazioni raccolte. Chi fosse interessato può fare riferimento a quanto riportato sul sito di Euromin Project
Il concetto di cristallo nel tempo
La definizione di cristallo è un bell'esempio di come, al progredire delle conoscenze scientifiche, le definizioni cambiano.
Per uno studioso del '600 un cristallo era quello rappresentato in figura:
quindi un corpo solido omogeneo, generalmente limitato da facce piane, che presentava interessanti regolarità. Fu Stenone (che abbiamo già incontrato nella Lezione 5) ad accorgersi che gli angoli diedri dei cristalli di una stessa sostanza erano costanti, anche se l'estensione delle facce poteva essere diversa (i suoi disegni di vari cristalli di quarzo sono riportati nella figura seguente).
Per gli studiosi del '700 e dell'800 un cristallo si caratterizzava essenzialmente per la simmetria della sua forma esterna ("abito cristallino") ma cominciarono ad esserne studiate in dettaglio anche alcune proprietà fisiche (per esempio le proprietà ottiche) e chimiche.
René Just Haüy nel 1784 propone una convincente teoria della struttura interna dei cristalli, immaginati come formati dalla ripetizione di forme poliedriche piccolissime. Per esempio, il cristallo a destra (un granato) dell'immagine seguente poteva essere formato dalla ripetizione di unità cubiche, se immaginiamo di ridurre le loro dimensioni sempre di più.
Bravais nel 1848 individuò tutti i 14 possibili reticoli cristallini.
Il problema che restava da affrontare alla fine del XIX secolo era quello di determinare tutti i raggruppamenti di simmetria possibili in tale struttura tridimensionale periodica. Il problema fu affrontato e risolto (1892-1894) da tre studiosi i quali, indipendentemente e quasi contemporaneamente, determinarono i 230 gruppi di simmetria tridimensionali.
La condizione della periodicità fa sì che alcune simmetrie (come per esempio la simmetria 5) siano vietate allo stesso modo in cui sono "vietate" mattonelle pentagonali se si vuole coprire un pavimento senza lasciare buchi. Nessuno - infatti - dei 230 gruppi di simmetrie trovati contiene la simmetria 5 ma solo rotazioni di ordine 2, 3, 4, 6.
Per una studiosa o uno studioso del '900 un cristallo è questo (o meglio è definito dalle caratteristiche rappresentate in figura):
cioè un oggetto caratterizzato da una composizione chimica e da una cella elementare che si ripete nello spazio in modo periodico, per traslazione dando luogo ad una struttura cristallina.
Agli inizi del 1900 l’intero edificio della cristallografia geometrica era sostanzialmente costruito, pur senza avere alcuna prova diretta della natura reticolare dei cristalli. Tale prova venne fornita dalla classica esperienza di Laue, eseguita da Friedrich e Knipping (1912), che ottennero effetti di diffrazione dei raggi X utilizzando cristalli quali reticoli di diffrazione.
(breve parentesi in aula su cosa si intende per diffrazione di una radiazione elettromagnetica, con relativo esperimento di "diffrazione" di un fascio di luce laser da parte di un capello), ottenendo una immagine sul muro simile a questa:
La condizione che i cristalli presentassero un reticolo periodico e quindi incompatibile con alcune simmetrie (e assi di simmetria consentiti esclusivamente di ordine 1, 2, 3, 4 e 6) ha rappresentato la definizione di cristallo fino al 1991. In quell'anno l'Unione Internazionale di Cristallografia (IUCr; vedi pdf) ha modificato la definizione di cristallo in modo da includere anche i quasicristalli e in generale le strutture aperiodiche.
I quasicristalli erano stati scoperti nel 1982 da Shechtman , che stava studiando alcune leghe metalliche al microscopio elettronico a trasmissione. Nel suo quaderno di laboratorio, l'8 aprile, annota "simmetria 10???" dove i punti interrogativi rappresentano bene la sua perplessità: la simmetria di ordine 10 infatti è incompatibile con un reticolo periodico.
Aveva appena scoperto un nuovo tipo di materia solida. Per questa scoperta Dan Shechtman ha avuto il premio Nobel per la chimica nel 2011.
La definizione attuale di cristallo (v. International Union of Crystallography) dice che "A material is a crystal if it has essentially a sharp diffraction pattern"
Quelle rappresentato nella foto sopra sono diffrazioni elettroniche di quasicristalli, la prima corrisponde a un quasicristallo di composizione MnAl6, la seconda a un quasicristallo di composizione AlFeCu. Presentano entrambe una simmetria 10 e quindi gli oggetti che hanno dato origine alla diffrazione non sono periodici. Secondo la definizione ufficiale di cristallo, la periodicità non è più una condizione necessaria, quindi anche questi oggetti sono da considerare cristallini.
