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lunedì 28 aprile 2014

Paleoneurologia: tra vecchie tradizioni e nuove realtà

Da un po’ di post stiamo parlando dell’anatomia interna dei fossili e di come lo studio di questa può aiutarci a ricavare preziose informazioni importanti riguardo l’ecologia, la filogenesi e l’evoluzione di alcuni gruppi. Abbiamo parlato dell’evoluzione del cervello, della morfologia degli archi branchiali, di nervi e muscoli.
Spero però che, leggendo queste cose, vi sia venuta in mente una domanda semplice quanto necessaria: ma com’è possibile sapere com’era fatto il cervello o l’arco branchiale di un animale che conosciamo solo come resto fossile? 
I tessuti molli, come il cervello, non dovrebbero essere molto rari da trovare fossilizzati?
Infatti è così, in quanto tessuto non mineralizzato, il cervello, così come i nervi, i vasi sanguigni, i muscoli, non si fossilizzano facilmente, tale che è quasi impossibile avere informazioni dirette della loro morfologia.
Tuttavia, vi sono altre strutture che possono essere utilizzate per studiare questi tessuti, e ciò riguarda le cavità, i canali, le cicatrici, che questi lasciano sulle ossa o al loro interno, come le cavità lasciate dal corso dei nervi all’interno dell’endocranio che, in vari casi, è ossificato e quindi si fossilizza.
In questo modo, osservando le tracce lasciate da questi tessuti all’interno delle ossa, è possibile ottenere un’idea riguardo la loro morfologia.
A questo punto però, possiamo porci un’altra domanda, più tecnica: ma come si studia “il dentro” di un fossile? Quali tecniche e in quali casi è possibile?
In questo post vedremo una breve panoramica delle tecniche utilizzate nello studio dell’anatomia interna dei fossili, in particolare della zona cranica, dei loro vantaggi e svantaggi, e di come queste siano cambiate nel tempo.

Come abbiamo già accennato, è chiaro che la condizione necessaria affinché si possa studiare l’interno di un fossile è che questo possegga un grado di preservazione molto buono e in tre dimensioni. Come potete immaginare, sarebbe difficile studiare il dentro di un fossile su lastra, piatto.
Fossili in 3d e con un alto grado di preservazione sono un fenomeno molto raro, ma per fortuna al mondo sono conosciute alcune località che presentano condizioni particolari in grado di regalarci fossili squisitamente preservati. Sono i così detti Fossil Lagerstätten, depositi sedimentari che all’epoca della loro formazione presentavano condizioni particolari tali da consentire una fossilizzazione ottimale dei resti che venivano a essere inglobati nei sedimenti. 
Da essi provengono alcuni dei fossili più straordinari che si conoscano,  con tessuti molli preservati (come le famose piume di alcuni dinosauri), altre volte addirittura con dettaglio incredibili come elitre di insetto perfettamente conservate in cui si possono ancora osservare i colori o ancora, appunto, fossili articolati e conservati tridimensionalmente.
Da alcuni di questi siti, come la Gogo Formation, in Australia, o la Wood Bay Formation, a Svalbard, provengono anche fossili in 3D di stem gnathostomi e crown gnathostomi paleozoici, che ci permettono di studiare i caratteri interni e l’evoluzione di alcuni organi interni nelle prime fasi della storia degli gnathostomi.

Esemplare di Gogonasus (Sarcopterygii),  preservato in 3D
Se pensate che questo argomento sia strettamente legato a tecnologie sofisticate e moderne, vi sorprenderà sapere che i primi studi paleoneurologici sugli stem gnathostomi cominciano già a partire dall’inizio del novecento.
Tra i più importanti studi vi sono sicuramente quelli del paleontologo svendese Erik Stensiӧ, che dal 1925 al 1963 pubblica alcuni studi di dettaglio (con disegni straordinari) sull’anatomia e le cavità interne di numerosi vertebrati fossili, tra cui osteostraci e placodermi (Stensiӧ 1925, 1927, 1937, 1963a, 1963b)
A quei tempi l’anatomia interna di un fossile in tre dimensioni veniva studiata attraverso la tecnica del serial grinding, che consisteva  nel tagliare (si, tagliare) l’esemplare fossile in sezioni, fotografando e/o disegnando ogni sezione, in modo poi da comparare tutte le immagini e poter avere un’idea dell’interno dell’animale.




Con la tecnica del serial grinding venivano preparate delle sezioni tagliando il fossile, queste veniva fotografate e disegnate, per poi ricostruire l'anatomia in 3D tramite disegni.

In seguito, l’utilizzo di tecniche di preparazione meccanica con strumenti di dettaglio, come aghi, incisori e trapani di precisione, consentì di ottenere ottimi risultati senza distruggere gli esemplari, grazie alla possibilità di “scavare” con precisione all’interno delle cavità, ad esempio preparando in maniera dettagliata la cavità oculare si potevano osservare le cicatrici dei muscoli dell’occhio e vari canali per nervi e vasi sanguigni. Alcuni meravigliosi esempi di questi studi sono le due monografie pubblicate da Goujet (1984) e Janvier (1985) sull’anatomia interna dei placodermi e osteostraci di Svalbard.
Interessante notare come queste tecniche ottennero gli stessi risultati di quella utilizzata da Stensiӧ, e senza distruggere il fossile (anche se bisogna dire che probabilmente c’era un problema di “eredità di idee”, nel senso che si tendeva a ricostruire le strutture sulle base di studi precedenti, in questo caso appunto quelli di Stensiӧ).




Endocranio di Norselaspis preparato meccanicamente (e un pò anche con acido acetico). Da Janvier, 1985

Negli stessi anni, e anche prima, venivano usate anche tecniche di preparazione che coinvolgevano la chimica, e in particolare il principio per cui diversi materiali (e dunque diversi tipi di roccia) reagiscono in maniera diversa a contatto con gli acidi (Toombs, 1959).
Per esempio, molto usato era l’acido acetico, con il quale è possibile separare i fossili dalla matrice rocciosa, grazie alla loro differente composizione (carbonato di calcio per i fossili, materiale calcareo per la matrice). Con questo metodo, ancora oggi molto usato, alcuni studiosi hanno ottenuto ottimi risultati anche su fossili di stem gnathostomi (e.g. White 1952; Young 1980, 1985 e molti altri).

Endocranio di placoderma preparato con acido acetico (Young, 2008)
Infine, un ulteriore metodo consisteva nella preparazione di calchi in lattice o resina, che ricoprendo e riempiendo le cavità interne consentivano poi lo studio di queste senza rompere il fossile, ottenendo una riproduzione abbastanza fedele dell'interno del cranio, e quindi per esempio del cervello. 
Sebbene questo metodo permette appunto di non intaccare il fossile, non sempre i calchi non riescono a distinguere cavità vere (ossia lasciate da un tessuto molle) da rotture e fori postmortem e quindi possono esserci errori nel risultato finale.

Endrocranio di Triceratops (sinistra) e calco interno, con il cervello e i nervi cranici (destra)
Dunque, nonostante queste tecniche riuscivano a ottenere ottimi risultati per quei tempi, esse avevano lo svantaggio di essere altamente distruttive, lunghe o comunque con la posibilità di danneggiare o distorcere le strutture originali.
Con l’avanzare del tempo e delle tecnologie, le tecniche di preparazione paleontologiche si sono evolute cercando di raffinare i dettagli ottenibili e nello stesso tempo cercando di intaccare il meno possibile i reperti.
Oggi, sebbene a volte vengano ancora utilizzare tecniche di preparazione meccaniche e chimiche, soprattutto nelle prime fasi della preparazione, quando bisogna togliere grosse quantità di matrice e sedimenti, si utilizzano tecniche che coinvolgono tecnologie moderne e all’avanguardia.
La principale di queste utilizza lo stesso principio di Stensio, ossia l’esamina di multipli strati e la comparazione di questi per ottenere un immagine tridimensionale, ma non attraverso un taglio vero del fossile ma bensì utilizzando un taglio virtuale, attraverso i raggi X.
Attraverso macchinari inventati e utilizzati principalmente in campo medico, è possibile oggi fare delle scansioni anche su esemplari fossili, in modo da ottenere numerosissime “fette” del fossile che poi possono essere usate per ricostruire in dettaglio la sua morfologia in tre dimensioni. Il vantaggio di questa tecnica consiste nella sua grande risoluzione e rapidità e nell’opportunità di non danneggiare minimamente il fossile. Unico vero svantaggio consiste nell’alto costo della scansione ma dipende dalle dimensioni del fossile.


Attualmente vi sono numerosi esempi di tomografie (optical tomography, physical-optical tomography,  X-Ray computer comography, neutron tomography, holotomography, etc.) che utilizzano principi di acquisizione dati diverse (utilizzo di diversi vettori di luce o di diverse particelle con cui vengono colpiti gli esemplari). E' un argomento tecnico complesso (letture consigliate: Sutton et al., 2001; Tafforeau et al., 2006, Sutton 2008).
L’acquisizione di dati virtuali con scan computerizzate consente di ottenere modelli virtuali che, grazie a specifici software, possono essere manipolati e osservati al computer, con la possibilità di, per esempio, dissezionarli virtualmente, colorare ed evidenziare in maniera differente le singole strutture, riempire le cavità in modo da ricostruire il corso dei nervi, etc.
Oggi, grazie a scansioni ottenute con tomografie computerizzate (CT scans) siamo in grado di osservare anche dettagli piccolissimi dell’anatomia interna di numerosi vertebrati di cui si sono conservati fossili in tridimensioni, dai grandi dinosauri ai piccoli mammiferi mesozoici, dai coccodrilli agli squali, passando per uccelli e agnati fossili (e.g. Rogers, 1999 Witmer , 2004 Gai et al., 2012; Pradel, 2010).

Oggi possiamo, partendo da un cranio preservato in 3D e analizzando con tomogragie, arrivare a ricostruire l'anatomia del sistema nervoso di un vertebrato fossile. Da Dupret et al., 2014
L’evoluzione della tecnologia sta aiutando molto i paleontologi nella possibilità di studiare con tecniche moderne i fossili e raffinare così l’accuratezza con cui possiamo descrivere i dettagli anatomici degli esseri viventi estinti, così come scoprirne di nuovi e correggere eventuali errori (a volte frutto di impossibilità di lettura per mancanza di tecniche adatte).
La paleontologia non è solo andare sul campo e scavare. Quella è forse la parte più divertente e in qualche modo più difficile (a volte, giorni di lavoro e pochissimo materiale trovato). Ma studiare il mondo del passato è anche sapere quali tecniche utilizzare una volta raccolti i fossili e come poi inserire i dati ottenuti in un contesto più grande, comparando con altri esemplari  e con il resto del record fossile.
Per quanto mi riguarda, lo scopo dovrebbe sempre essere cercare di conoscere il più possibile il proprio pezzettino di puzzle senza però perder di vista l’immagine globale.
Lo studio paleoneurologico dunque dev’essere visto come un mezzo importante non solo nello scoprire com’era fatta l’anatomia del sistema nervoso di questi organismi estinti, ma anche per aiutarci a inserirli meglio nel contesto dell’evoluzione della vita sulla Terra.

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Bibliografia:

- Dupret, V. et al. 2014 
Aprimitive placodermsheds light on the origin of the jawed vertebrate face. 
Nature doi:10.1038/nature12980

- Gai, Z. et al., 2011
Fossil jawless fish from China foreshadows early jawed vertebrate anatomy.  
Nature 476: 324–327

- Goujet D. 1984
Les poissons placodermes du Spitsberg. 
Cahiers de Paléontologie, Section Vertébrés. Paris: CNRS.

- Janvier P. 1985
Les Cephalaspides du Spitsberg. Anatomie, phylogenie et systematique des Osteostraces Siluro-Devoniens. 
Cahiers de Paléontologie, Section Vertébrés, Paris: CNRS

- Pradel, A. 2010
Skull and brain anatomy of Late Carboniferous Sibyrhynchidae (Chondrichthyes, Iniopterygia) from Kansas and Oklahoma (USA).  
Geodiversitas 32(4):595-661

- Rogers S. W. 1999
Allosaurus, Crocodiles, and Birds: Evolutionary Clues from Spiral Computed Tomography of an Endocast
Anat. Rec. 257: 162–173

- Sutton, M. D., Briggs, D. E. G., Siveter, D. J. & Siveter, D. J. 2001 
Methodologies for the visualization and reconstruction of three-dimensional fossils from the Silurian Herefordshire Lagerstatte. 
Paleontol. Electronica 4: 2

- Sutton, M. D. 2008
Tomographic techniques for the study of exceptionally preserved fossils.  
Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 275(1643): 1587-93

- Stensiö, E. A. 1925
On the head of the macropetalichthyids, with certain remarks on the head of the other arthrodires. Publ.  Field. Museum. Nat. Hist. Geol.  4:87197.

- Stensiö, E. A. 1927
The Devonian and Downtonian vertebrates of Spitsbergen. 1. Family Cephalaspidae. Skrifter Svalbard Ishavet 12:1391.

- Stensiö, E. A. 1937
Notes on the Endocranium of a Devonian Cladodus.
Bull. Geol. Inst. Uppsala 27: 128–144

- Stensiö, E. A. 1963b
 The brain and cranial nerves in fossil, lower craniate vertebrates. 
Skrifler ulgill av Det Norske VidenskapsAkademii Oslo. I Mal.-Naturv. Klasse (N.S.), 13: 1-120. 

- Stensiö, E. A. 1963b
The brain and cranial nerves in fossil, lower craniate vertebrates. Skrifter u. Norsk. Videnskaps Akad. Oslo Mater Naturo Kl. 13:1120.

- Tafforeau, P. et al. 2006 
Applications of X-ray synchrotron microtomography for non-destructive 3D studies of paleontological specimens. 
Ppl. Phys. A 83: 195–202.

- Toombs, H. A. 1959
The use of acids in the preparation of vertebrate fossils.  
Curator 2: 304 – 312

- Young, G. C. 1980
A new Early Devonian placoderm from New South Wales, Australia, with a discussion of placoderm phylogeny. Palaeontogr. Abt. A 167:10–76

- White E I., 1952
Australian arthrodires. 
Bull Br Mus (Nat. History) (Geology) 1:249304. 

- Witmer, L. M. (2004) - Inside the Oldest Bird Brain. 
Nature 430 (700): 619–620

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