Història de la Terra: Eons, Datació Geològica i Evolució de la Vida

Conceptes Clau de la Geologia i la Paleontologia

• Actualisme: Principi científic segons el qual els processos que van actuar en el passat són els mateixos que operen a l'actualitat.
• Datació: Procés de situar en el temps un esdeveniment o un material determinats.
• Datació absoluta: Consisteix a assignar una data més o menys precisa a un esdeveniment o material determinats.
• Datació radiomètrica: Tècnica de datació absoluta basada en la radioactivitat natural dels isòtops presents en una mostra.
• Datació relativa: Consisteix a establir si un esdeveniment o material és més antic o més recent que un altre, sense determinar la data.
• Dendrocronologia: Mètode que permet datar quan es van formar els anells de creixement dels arbres.
• Estrat: Capa horitzontal que es forma quan s'acumulen sediments i es compacten, donant lloc a les roques sedimentàries.
• Estratigrafia: Estudi dels estrats geològics.
• Extinció en massa: Disminució brusca en la biodiversitat del planeta.
• Fòssil: Resta o senyal d'activitat d'organismes que van viure en un passat llunyà i que s'han conservat en roques.
• Testimoni de gel: Mostra cilíndrica de gel obtinguda en perforar verticalment les grans masses de gel del planeta.

La Immensitat del Temps Geològic

Els científics afirmen que la Terra va néixer fa aproximadament 4.500 milions d’anys i que era molt diferent de com és avui dia. Durant aquests milers de milions d’anys, la seva superfície ha experimentat tot tipus de canvis. La vida va néixer als oceans i es va disseminar per tots els racons del planeta. Els éssers vius van anar evolucionant cap a formes més i més complexes fins a donar lloc a la biodiversitat que avui pobla la Terra.

Els Últims Sis Segons: Una Escala Temporal

Si comprimíssim la llarguíssima història de la Terra en un sol dia, aleshores:

• La vida hauria aparegut a les quatre de la matinada.
• Les primeres plantes terrestres, a les nou del vespre.
• Els dinosaures haurien regnat durant menys d’una hora, fins a les onze i cinquanta-cinc de la nit.
• L’Himàlaia es començaria a elevar poc abans de mitjanit.
• Els humans apareixeríem a les 23 hores 59 minuts i 54 segons, és a dir, faria tan sols 6 segons que som al planeta.

Però, com podem saber tantes coses sobre la història de la Terra si els humans no érem allà per presenciar-les?

Investigant un Fòssil Fascinant

Mentre fèieu un passeig matinal, els teus amics i tu heu trobat un fòssil d’una dent d’un gran animal prehistòric. El fòssil estava incrustat al coster d’una muntanya acabada d’excavar, però amb cura i paciència heu aconseguit extreure’l.

Un dels teus amics opina que el fòssil degué pertànyer a un dinosaure que degué viure per aquesta zona fa milions d’anys. Tanmateix, t’has adonat que la dent s’assembla més a la d’un tauró que a la d’un animal terrestre. És possible que temps enrere hi hagués hagut un mar aquí i la dent pertanyés realment a un tauró prehistòric? Com podríem saber si el fòssil és d’un animal marí o d’un animal terrestre?

Obtenció d'Informació a partir de les Roques

Els fòssils són restes d’organismes que van viure en el passat. La major part dels fòssils corresponen a les parts dures dels organismes (ossos, dents, closques, etc.), ja que es conserven millor que les parts orgàniques. La fossilització és el procés pel qual les restes i senyals d’activitat d’un organisme donen lloc a fòssils.

Anàlisi del Jaciment i Estrats

A alguns dels teus amics no els convenç la conclusió a la qual heu arribat mitjançant l’anàlisi de la roca. Com és possible que hi hagués un mar on ara hi ha una muntanya? A més, han llegit que també és possible que una roca d’aquest tipus s’hagi format al fons d’un llac. Per tant, creuen que la dent podria ser d’algun dinosaure terrestre que visqués a prop del llac. Per aquest motiu, heu tornat al coster on vau trobar el fòssil per recollir més informació sobre el jaciment. L’esquema mostra el coster excavat de la muntanya i el lloc concret on vau trobar el fòssil. (Nota: L'esquema no està inclòs en el text.)

Determinació de l'Antiguitat: La Datació Radiomètrica

Per seguir la investigació, porteu el fòssil a un institut de paleontologia. Després d’examinar-lo, els paleontòlegs creuen que es tracta d’una dent de tauró de grans dents, un tauró gegantesc del passat, tres vegades més llarg que els taurons blancs actuals. Com que mai no havien trobat un fòssil així a la regió, estan interessats a determinar-ne amb precisió l’antiguitat.

La datació radiomètrica és una tècnica clau, tot i que només es pot utilitzar en roques ígnies. Aquestes roques es formen per refredament i solidificació del magma. A partir d’aquest moment, els àtoms dels isòtops radioactius presents comencen a desintegrar-se i a convertir-se en àtoms d’un altre element.

• Per exemple, el potassi 40 es desintegra en argó 40.
• Coneixem el ritme de desintegració, definit pel període de semidesintegració (t1/2), que és el temps necessari perquè la quantitat d’àtoms radioactius es redueixi a la meitat.
• El període de semidesintegració del potassi 40 és de 1.280 milions d’anys (Ma).

És possible mesurar en una roca ígnia el percentatge d’àtoms d’un isòtop radioactiu que no s’han desintegrat i deduir, a partir d’aquesta dada, el temps transcorregut des de la seva formació.

Conclusions sobre la Datació Geològica

Les roques —i els fòssils que contenen— amaguen els secrets de la història del nostre planeta. Mitjançant l’anàlisi de les característiques de les roques i la seva distribució en estrats, podem revelar els esdeveniments geològics passats i conèixer els éssers vius que van habitar la Terra abans de l'aparició de la humanitat.

Per situar aquests esdeveniments en el temps s’utilitzen dos tipus de tècniques de datació:

• Datació relativa: Permet ordenar els esdeveniments en el temps (p. ex., anàlisi dels estrats).
• Datació absoluta: Permet estimar l’antiguitat dels esdeveniments de manera més o menys precisa (p. ex., datació radiomètrica).

La Terra: Una Història de Canvis Constants

La Terra no ha estat sempre igual: hi ha evidències que el nostre planeta ha experimentat grans canvis en una llarga història que va començar fa uns 4.500 milions d’anys (Ma). Aquests canvis han afectat —i afecten— els quatre sistemes que formen la Terra:

• Geosfera: Canvis en el relleu, la forma i la posició dels continents. (Exemple: Distribució continental en els últims 600 Ma.)
• Hidrosfera: Variacions en el nivell de l’aigua del mar, la seva temperatura i la quantitat de gel. (Exemple: Variació del nivell del mar en els últims 500 Ma.)
• Atmosfera: Canvis en la composició química, la temperatura i la circulació de les masses d’aire. (Exemple: Temperatura mitjana de l’aire en els últims 600 Ma.)
• Biosfera: El registre fòssil revela que períodes d’especiació s’han alternat amb extincions massives. (Exemple: Nombre de gèneres marins en els últims 550 Ma.)

Com es Produeixen els Canvis a la Terra?

La història de la Terra està registrada a les seves roques. Els geòlegs obtenen informació dels processos que les han format i modificat basant-se en el principi científic de l’actualisme: els processos que van actuar en el passat són els mateixos que operen a l’actualitat.

El primer a aplicar aquest principi va ser l’escocès James Hutton (1726-1797), considerat el pare de la geologia moderna.

Els canvis que ha experimentat la Terra es deuen a l’acció de dos tipus de processos:

• Processos graduals: Són processos lents que actuen de manera contínua al llarg d’enormes períodes de temps (milers a milions d’anys), com l’erosió, la sedimentació o el moviment de les plaques tectòniques. Exemple: L’erosió fluvial ha excavat el Gran Canyó en uns 6 Ma.
• Processos catastròfics: Són processos geològics molt intensos i poc freqüents, que actuen durant períodes breus (segons fins a anys), com l’impacte d’un asteroide o una gran erupció volcànica. Exemple: L’impacte d’un meteorit fa 66 Ma va desencadenar una extinció massiva.

L'Edat de la Terra: Estimacions Històriques

Determinar l’edat del nostre planeta ha estat un repte científic. El descobriment de la radioactivitat natural va permetre, durant la primera meitat del segle XX, establir un mètode de datació fiable. Els resultats actuals apunten que la Terra es va formar fa uns 4.500 milions d’anys.

Al llarg de la història, hi va haver altres intents de determinar l’edat de la Terra amb resultats molt dispars:

James Ussher (1650)

Basant-se en una interpretació literal de la Bíblia, l’arquebisbe James Ussher va calcular que l’origen de la Terra es va situar l’any 4004 aC. Aquesta estimació, basada en un substrat religiós, va tenir un gran impacte social.

Charles Lyell (1830)

Lyell va publicar Principis de geologia, popularitzant les idees actualistes de James Hutton. Lyell defensava que els processos lents que modelen el planeta requerien un passat molt més remot que uns pocs milers d’anys. Els seus seguidors consideraven que l’edat podia ser de centenars o fins i tot milers de milions d’anys.

Lord Kelvin (1862)

El físic William Thomson (Lord Kelvin) va estimar l’edat basant-se en el refredament d’una esfera de roca fosa. Va establir que la Terra havia de tenir entre 20 i 40 milions d’anys. El seu model no considerava la radioactivitat natural, que compensa el refredament.

John Joly (1899)

Joly va intentar determinar l’edat a partir del ritme d’acumulació de sal als oceans. Va estimar que la Terra tenia entre 80 i 100 milions d’anys. Els seus càlculs no van tenir en compte la pèrdua de sal en les zones de subducció.

Tècniques de Datació Geològica

Determinar quan es van formar les roques i els elements del relleu és imprescindible per conèixer la història de la Terra. Datar és situar en el temps un esdeveniment o un material determinats. Distingim dos tipus principals de datació:

• Datació absoluta: Assigna una data més o menys precisa.
• Datació relativa: Estableix si un material és més antic o més recent que un altre, sense determinar la data exacta.

Datació Absoluta: Radiometria i Isòtops

Isòtops Radioactius i Semidesintegració

La datació radiomètrica es basa en la radioactivitat natural dels isòtops. Els isòtops radioactius (isòtops pare) es desintegren espontàniament, transformant-se en isòtops d’un altre element (isòtops fill).

Aquest procés es mesura mitjançant el període de semidesintegració (t1/2), que és el temps que triga la meitat dels isòtops pare d’una mostra a transformar-se en isòtops fill. Com menys estable és un isòtop, més breu és el seu t1/2.

Exemple: Després d’un t1/2, el nombre d’àtoms radioactius es redueix de 100 a 50. Després d’un segon t1/2, es redueix de 50 a 25.

Aplicació de la Datació Radiomètrica

La tècnica permet calcular l’antiguitat d’una mostra a partir de:

1. El període de semidesintegració d’un isòtop radioactiu determinat present a la mostra.
2. El percentatge d’isòtops pare que encara no s’han transformat en isòtops fill.

Aquesta tècnica s’utilitza principalment per datar roques ígnies (basalt, granit), ja que la radioactivitat s’inicia en el moment de la seva formació (cristal·lització del magma). No es pot aplicar a roques sedimentàries, atès que estan formades per fragments de roques més antigues i d’edats diferents.

Altres Mètodes de Datació Absoluta

Hi ha altres mètodes de datació absoluta, com la dendrocronologia i l’estudi dels testimonis de gel. Aquests mètodes no s’utilitzen per datar esdeveniments tan antics com fa la datació radiomètrica, però permeten datar esdeveniments relacionats amb el clima i les condicions atmosfèriques del passat.

Dendrocronologia

La dendrocronologia permet datar la formació dels anells de creixement dels arbres. Cada any, el tronc dels arbres creix en diàmetre i genera una nova capa de fusta per sota de l’escorça. Per això, en talar-los s’observa una sèrie d’anells concèntrics, que són testimoni de cada cicle de creixement anual. Comptant els anells d’un arbre, podem saber quants anys ha viscut.

La dendrocronologia permet conèixer les condicions climàtiques del passat recent, perquè d’elles depèn el gruix dels anells: els anys secs hi ha menys creixement i els anells són més estrets que els anys humits. És possible reconstruir sèries de diversos milers d’anys superposant els anells de creixement de diferents arbres.

Principi de superposició d’estrats Com que els sediments es dipositen i compacten per efecte de la gravetat, podem deduir que els estrats queden ordenats a l’eix vertical segons la seva antiguitat. Un estrat donat és més recent que els estrats que té per sota i més antic que els que té per sobre.0 200.000 Anys

Testimonis de Gel

Un testimoni de gel és una mostra cilíndrica de gel que s’obté en perforar verticalment les grans masses de gel del planeta. Aquestes masses de gel es van formar per acumulació i compressió de la neu. Per tant, les capes més profundes de gel són les més antigues.

En el gel queden atrapades partícules sòlides i bombolles de gasos que són testimoni de les condicions atmosfèriques de cada moment. Això ens permet estudiar el clima d’èpoques passades, datar grans erupcions volcàniques, etc. Gràcies als testimonis analitzats pel Projecte europeu per a l’estudi de mostres de gel de l’Antàrtida (EPICA, sigla anglesa), s’han reconstruït les variacions climàtiques dels últims 740.000 anys.

Datació Relativa: Principis Estratigràfics

L’estudi dels estrats de les roques (estratigrafia) és el mètode principal de datació relativa. Els estrats són les capes horitzontals que es formen quan s’acumulen sediments i es compacten, donant lloc a les roques sedimentàries. L’estratigrafia és l’estudi dels estrats geològics.

Els estrats es distingeixen per les característiques dels sediments que els formen; aquestes característiques depenen, al seu torn, de les condicions sota les quals es van acumular els sediments. Per exemple, un estrat de roca calcària revela un ambient de sedimentació marí, mentre que un estrat de conglomerat revela l’acció d’un riu en el seu curs alt. La datació estratigràfica es basa en dos principis fonamentals:

1. Principi de Superposició d’Estrats

   Com que els sediments es dipositen i compacten per efecte de la gravetat, els estrats queden ordenats verticalment segons la seva antiguitat. Un estrat donat és més recent que els estrats que té per sota i més antic que els que té per sobre.

2. Principi de Superposició de Processos Geològics

   Aquest principi s’aplica quan, després de la formació dels estrats, han actuat processos geològics com falles, plecs, intrusions de magma o erosions diferencials. Un procés geològic és més recent que les roques que afecta i més antic que les roques que no afecta.

Correlació Estratigràfica

Cap conca sedimentària ha registrat la història completa de la Terra. Per aconseguir un registre temporal màxim, s'encadenen els estrats de diferents formacions geològiques mitjançant la correlació estratigràfica, que es basa en tres criteris:

1. Continuïtat lateral: S’utilitza per correlacionar sèries d’estrats properes dins d’una mateixa conca sedimentària, seguint lateralment els límits d’un estrat.
2. Fòssils guia: Permeten relacionar estrats de formacions molt allunyades. Són espècies que van existir durant períodes relativament breus de temps però que van ocupar grans àrees del planeta. Si trobem els mateixos fòssils guia en estrats de dues formacions geològiques diferents, podem afirmar que aquests estrats tenen la mateixa antiguitat.
3. Nivells guia: Estrats amb característiques particulars i fàcilment recognoscibles, formats sobre grans extensions en períodes relativament curts de temps. Exemple: Estrats formats per cendres volcàniques. Identificar el mateix nivell guia en dues formacions geològiques diferents ens permet establir una relació temporal entre els seus estrats.

Els Fòssils i la Paleontologia

L’estudi dels fòssils, o paleontologia, aporta informació clau sobre la història de la vida a la Terra.

El Procés de Fossilització

La fossilització —formació d’un fòssil— és un procés excepcional que només es produeix en condicions específiques, generalment en ambients sedimentaris. Les restes orgàniques són ràpidament consumides pels descomponedors, però les estructures minerals (ossos, dents, closques) es conserven amb més facilitat. S’estima que la immensa majoria de les espècies que han habitat la Terra han desaparegut sense deixar fòssils.

Importància Geològica dels Fòssils

El registre fòssil mostra que la Terra va ser poblada per espècies diferents de les actuals. És possible datar les espècies fòssils i saber durant quin període van habitar el planeta mitjançant:

• L’estratigrafia, per determinar quins fòssils són més antics o més recents (datació relativa).
• La datació radiomètrica de roques ígnies adjacents, per establir l’interval d’anys (datació absoluta).

Assignar un període de temps a les espècies fòssils permet utilitzar-les per datar les roques, especialment en el cas dels fòssils guia. Per exemple, els trilobits, artròpodes marins extints, són considerats bons fòssils guia.

Les Etapes de la Història de la Terra

Els més de 4.500 milions d’anys d’història de la Terra es divideixen en unitats de temps geològic, els límits de les quals corresponen a grans canvis tectònics, atmosfèrics o biològics:

• Eons (la divisió més gran)
• Eres
• Períodes

Hi ha poques divisions en les èpoques més remotes, perquè se’n té poca informació. Actualment, estem a l’eó Fanerozoic, l’era Cenozoica i el període Quaternari.

Eons Geològics

La història de la Terra es divideix en quatre grans eons:

1. Hadeà
2. Arqueà
3. Proterozoic
4. Fanerozoic (l'actual)

És freqüent agrupar els tres primers eons en el «supereó» anomenat Precambrià, que abasta tot el temps anterior al període Cambrià.

L'Eó Hadeà (4.550 Ma)

L’Hadeà va començar amb la formació de la Terra. El planeta primigeni era una esfera de materials fosos, sotmesa a un bombardeig constant d’asteroides, amb una atmosfera formada per diòxid de carboni, hidrogen i vapor d’aigua.

A mesura que el planeta es va refredar, es van produir canvis crucials:

• La superfície es va solidificar, formant l’escorça terrestre, amb intensa activitat volcànica.
• El vapor d’aigua atmosfèric es va condensar, originant pluges contínues que van formar els primers oceans.

Sense l’existència de masses estables d’aigua líquida no és possible l’aparició de la vida tal com la coneixem.

L'Eó Arqueà: L'Origen de la Vida

L’inici de l’Arqueà marca l’esdeveniment clau de l’aparició de la vida, en un planeta sense oxigen (O₂). La vida va sorgir probablement al voltant de les xemeneies volcàniques submarines.

Les molècules orgàniques es van organitzar en protocèl·lules, donant lloc a les primeres cèl·lules, que eren procariotes. Aquests van dominar el planeta i van diversificar els processos químics cel·lulars, incloent-hi la fotosíntesi. Hi ha fòssils de procariotes de més de 3.500 Ma d’antiguitat.

L'Eó Proterozoic: L'Oxigen i les Eucariotes

En el Proterozoic van proliferar els cianobacteris, que van produir enormes quantitats d’oxigen. Després d’oxidar els minerals de la superfície, l’oxigen es va acumular a l’atmosfera i va acabar causant l’extinció de molts procariotes, per als quals era tòxic.

Aquest canvi va impulsar l'evolució:

• Van sorgir bacteris que utilitzaven l’oxigen per a la respiració cel·lular.
• Més tard —fa 1.800 Ma—, va aparèixer la primera cèl·lula eucariota, fruit de la simbiosi entre cèl·lules procariotes.
• Cap al final de l’eó, van evolucionar els primers éssers pluricel·lulars complexos.

Geològicament, es va formar el supercontinent Rodínia, que es va fragmentar i es va tornar a unir formant Pannotia.

L'Eó Fanerozoic (542 Ma fins a l'Actualitat)

El Fanerozoic és l’eó actual. El seu nom fa referència a l’abundància de formes de vida macroscòpiques. Es divideix en tres eres:

• Paleozoic: Aparició de tots els fílums animals marins i colonització del medi terrestre. Formació de Pangea.
• Mesozoic: Gran diversificació de fauna i flora (l'era dels rèptils). Fragmentació de Pangea.
• Cenozoic: L'era actual. Diversificació d’ocells i mamífers. Formació de les cadenes muntanyoses principals i establiment de la posició continental actual.

L'Era Paleozoica (542 – 251 Ma)

Període Cambrià (542 - 485 Ma)

Es va produir l’explosió de diversitat més gran de la vida macroscòpica en mars poc profunds. Van proliferar tots els grans grups d’invertebrats: esponges, cnidaris, anèl·lids, artròpodes (com els trilobits), mol·luscs, equinoderms, etc.

Període Ordovicià (485 - 444 Ma)

La vida aquàtica va seguir diversificant-se. És notable l’aparició de grans artròpodes depredadors i la diversificació del primer grup de vertebrats: els peixos sense mandíbula. Petites plantes terrestres van començar a habitar el medi terrestre. El període va acabar amb una gran extinció, possiblement causada per una glaciació que va provocar un descens del nivell del mar.

Període Silurià (444 - 416 Ma)

Després de l’extinció, van proliferar els esculls coral·lins i van aparèixer els primers peixos amb mandíbula. En el medi terrestre, van sorgir les primeres plantes vasculars, fongs i artròpodes. Geològicament, la col·lisió de Laurència i Bàltica va causar l’Orogènesi Caledoniana.

Període Devonià (416 - 359 Ma)

En els mars, els peixos mandibulats es van diversificar, incloent-hi els primers taurons. Cap al final del període, es va produir una extinció massiva. En el medi terrestre, l’evolució de les plantes vasculars va donar peu a l’aparició de falgueres arborescents que van formar els primers boscos. També van evolucionar els primers insectes i els primers vertebrats terrestres: els amfibis. Tectònicament, es va formar el continent Euramèrica, que s’anava aproximant a Gondwana.

Període Carbonífer (359 - 299 Ma)

La terra ferma va quedar coberta per boscos de falgueres arborescents, que van generar els principals jaciments de carbó i la màxima concentració atmosfèrica d’oxigen. Van proliferar els insectes voladors i els amfibis. Al final del període, amb un clima més sec, van aparèixer els primers rèptils i les primeres plantes amb llavor. La col·lisió entre Gondwana i Euramèrica va produir l’Orogènesi Herciniana i es va començar a formar Pangea.

Període Permià (299 - 251 Ma)

El Permià posa fi a l’era paleozoica. Es van diversificar els rèptils i les plantes amb llavor, que resistien millor l’aridesa. El període acaba amb l’extinció més important de la història terrestre, on van desaparèixer el 95% de les espècies marines i el 70% dels vertebrats terrestres. Durant el Permià es va completar la formació del supercontinent Pangea.

L'Era Mesozoica (251 – 66 Ma): L'Era dels Rèptils

Període Triàsic (251 - 201 Ma)

En aquest període de clima àrid i càlid, la biosfera es va tornar a diversificar. Van aparèixer els primers dinosaures i els primers mamífers. El Triàsic va acabar amb una altra gran extinció. Geològicament, Pangea s’estenia de pol a pol, envoltada per l'oceà Pantalassa, amb el mar de Tetis penetrant des de l’est.

Període Juràssic (201 - 145 Ma)

El clima global era càlid i humit. Va ser el període de domini dels dinosaures, així com de la proliferació de grans rèptils voladors (pterosaures) i marins. Al final del Juràssic, van sorgir les primeres espècies d’ocells. Va començar la fragmentació de Pangea en Lauràsia (al nord) i Gondwana (al sud).

Període Cretaci (145 - 66 Ma)

Van aparèixer i es van diversificar les primeres angiospermes (plantes amb flor i fruit). El Cretaci acaba amb una extinció massiva, desencadenada per l’impacte d’un gran asteroide, que va fer desaparèixer el 75% de les espècies, inclosos els dinosaures. Això va fer possible la posterior diversificació de mamífers i ocells. Gondwana i Lauràsia es van fragmentar en els continents actuals. La meitat de les reserves mundials de petroli es van formar a mitjan Cretaci.

L'Era Cenozoica (66 Ma fins a l'Actualitat)

Períodes Paleogen i Neogen (66 - 2,6 Ma)

Durant aquests períodes, els mamífers i els ocells supervivents es van diversificar i van ocupar els ecosistemes. Durant el Neogen van evolucionar els primers homínids, i al final del període, els australopitecs. Geològicament, es va iniciar l’Orogènesi Alpina, que va elevar les principals cadenes muntanyoses, inclòs l’Himàlaia. L’Amèrica del Sud i l’Amèrica del Nord van quedar connectades per l’istme de Panamà.

Període Quaternari (2,6 Ma - Actualitat)

El Quaternari és el període actual, marcat per diverses glaciacions. Els éssers humans moderns (Homo sapiens) van aparèixer fa tan sols uns 300.000 anys i van colonitzar el planeta. Coincidint amb el final de l’última glaciació, fa 10.000 anys, es produeix una extinció notable que afecta especialment grans mamífers. Des de l’inici de la vida, només un tipus d’ésser viu ha estat sempre present, sobrevivint a totes les extincions: els bacteris.