Un giorno del 1799, nel sud dell'Inghilterra, tre amici con un interesse comune per le rocce e i fossili si incontrarono e parlarono del nascente campo della geologia. Due degli uomini, Joseph Townsend e Benjamin Richardson, erano pastori anglicani e collezionisti di fossili, abbondantissimi nella zona, che guardavano al mondo naturale per cercare prove tangibili dell'opera di Dio. Il terzo era un giovane geometra e ingegnere idraulico di nome William Smith, che possedeva una vasta conoscenza dei letti, o strati, rocciosi dell'Inghilterra, maturata grazie alla sua esperienza nello scavo di miniere e nella costruzione di canali per il trasporto del carbone. Smith aveva sviluppato una legge generale secondo cui "gli stessi strati si trovano sempre nello stesso ordine di sovrapposizione e contengono gli stessi peculiari fossili". Il reverendo Richardson era apparentemente "stupito e incredulo" di questa affermazione, e insieme a Townsend, decisero di fare indagini sul campo per verificarla. Inutile dire che le loro indagini confermarono l'ipotesi di Smith. Qualche settimana più tardi, dopo che i tre avevano cenato insieme, fu proposto a Smith di dettare una tabella degli strati secondo il loro ordine di successione, numerandoli in sequenza continua. Townsend scrisse la lista e Richardson fornì i nomi dei fossili.
Dopo cena, i tre tracciarono una mappa degli strati rocciosi nelle vicinanze di Bath, identificando gli strati in base al colore, alla durezza e ai fossili che contenevano. I tre notarono qualcosa di strano: tra gli strati chiamati Pietra del Mulino e Pietra del Pennone c’era un improvviso cambiamento nei tipi di fossili trovati nelle rocce. Nello strato Pietra del Mulino dominavano i fossili di piante. Nello strato di Pietra del Pennone dominavano le conchiglie di bivalvi marini.
Oggi i geologi riconoscono questa discontinuità fossile come il limite tra il Carbonifero (da 360 a 300 milioni di anni fa), quando abbondanti paludi diedero origine a molti dei giacimenti di carbone odierni, e il Permiano (da 300 a 250 milioni di anni fa), quando progressivamente le masse continentali della Terra si unirono in un unico continente (Pangea) circondato da un unico oceano (Panthalassa). Nel 1799, tuttavia, quando Smith e i suoi amici notarono il cambiamento nel contenuto dei fossili, non potevano immaginare le centinaia di milioni di anni di paesaggi mutevoli che i geologi riconoscono oggi.
Per Smith, la scoperta forniva ulteriori prove della sua idea che gli strati rocciosi in tutta l'Inghilterra si succedessero secondo uno schema prevedibile e che ovunque si trovassero, potevano essere identificati e collegati a affioramenti rocciosi distanti, sulla base degli insiemi unici di fossili che contenevano. Chiamò questa idea “principio della successione faunistica”, o “successione fossile”.
In poco tempo, il principio della successione faunistica permise a Smith di posizionare le formazioni rocciose nell'ordine corretto in tutta l'Inghilterra, di identificare redditizi giacimenti di carbone per una nazione affamata di combustibili, e di pubblicare una mappa geologica dell'Inghilterra e del Galles, la più accurata fino ad allora disegnata per un'area così vasta. A lungo termine, permise alle generazioni successive di scienziati di scoprire la storia della vita sulla Terra.
William Smith era nato il 23 marzo 1769. Quando aveva otto anni, suo padre morì e sua madre lo mandò a vivere nella fattoria di un suo zio. Il nipote di Smith racconterà in seguito come il nuovo tutore del ragazzo "era poco felice dell'amore di suo nipote per la raccolta di pundib (conchiglie fossili) e poundstones "pietre da bilancia" (fossili di echinodermi) che erano disseminati nella fattoria”. I pundib, che fornivano eccellenti biglie per Smith e i suoi amici d'infanzia, erano antichi brachiopodi (soprattutto Terebratula), organismi bentonici marini diffusi soprattutto nel Paleozoico. I pratici pesi a volte usati nelle bilance per il burro erano in realtà ricci di mare fossili, più difficili da riconoscere senza la loro armatura spinosa.
Da bambino, Smith probabilmente non capiva cosa fossero questi oggetti, ma alcuni eruditi curiosi sì. Nei secoli prima della sua nascita, essi avevano discusso su cosa potessero essere i fossili: resti di organismi un tempo viventi o immagini prodotte della presunta capacità del pianeta di formare rocce simili a piante e animali? All'epoca di Smith, i geologi accettavano ampiamente l’idea che i fossili fossero i resti modificati di esseri un tempo viventi, la stessa conclusione raggiunta da Niccolò Stenone nel diciassettesimo secolo.
Stenone aveva anche proposto diversi principi sulla formazione e disposizione delle rocce che, all'epoca di Smith, la maggior parte dei geologi abbracciava: le rocce più vecchie generalmente giacciono al di sotto di quelle più giovani e gli strati di rocce sedimentarie sono originariamente disposti orizzontalmente, anche se gli sconvolgimenti geologici li possono inclinare o addirittura ribaltare in seguito. All'inizio del diciannovesimo secolo, geologi rispettati in tutta Europa avevano convenuto, contrariamente a un'interpretazione letterale della Bibbia, che il nostro pianeta possedeva una storia preumana incredibilmente lunga.
Quando Smith era piccolo, i brachiopodi fossili non erano altro che biglie, e avrebbe potuto dimenticare del tutto i fossili se fosse vissuto in un'epoca diversa. Ma era cresciuto quando la rivoluzione industriale aveva focalizzato l'attenzione dell'Inghilterra sui resti compressi e induriti di antiche paludi: il carbone. Smith non era ricco, e le sue opportunità di istruzione formale erano limitate, ma era brillante e trovò lavoro come geometra quando aveva solo 18 anni. Il suo lavoro gli richiedeva di visitare numerose miniere di carbone, e i suoi viaggi gli mostrarono che gli strati rocciosi si trovavano in sequenze prevedibili. Incominciò a sospettare che queste sequenze si estendessero in tutta l'Inghilterra.
Il suo lavoro gli diede l'opportunità di testare la sua ipotesi. Per sfruttare i combustibili fossili, gli industriali inglesi non dovevano solo dissotterrare il carbone, ma dovevano anche trasportarlo in modo efficiente. Prima di utilizzare il trasporto ferroviario, l'Inghilterra utilizzava i canali. Come geometra per molti di questi canali, Smith percorreva migliaia di miglia all'anno, mappando gli strati mentre procedeva. Scavare un canale significava tagliare gli strati rocciosi, e i nuovi affioramenti artificiali permisero a Smith di verificare l'ordine degli strati rocciosi su ampie distanze. Ma non tutta la ricerca di Smith era semplice. A volte lasciava perplessi.
Era convinto che gli strati rocciosi, ora inclinati o immersi, fossero stati prima depositati in strati orizzontali, e passarci accanto significava spostarsi avanti o indietro nella sequenza rocciosa. Ma non poteva conoscere i dettagli dei processi che avevano modellato i paesaggi inglesi. Quando trovava un deposito sabbioso in un punto e un deposito sabbioso simile altrove, si chiedeva se facessero parte della stessa formazione rocciosa depositata nello stesso momento. Smith aveva bisogno di un modo per distinguere gli strati, indipendentemente da dove si trovassero. Mentre accumulava osservazioni di strati e fossili trovò la chiave per distinguere gli strati: il loro contenuto in fossili.
Smith notò che due letti di roccia potevano contenere molte specie fossili identiche, ma una o due specie potevano variare. Queste sottili differenze tra gruppi fossili permisero a Smith di differenziare strati rocciosi che apparivano altrimenti identici. In Strata Identified by Organized Fossils, pubblicato dal 1816 al 1819, ricordava:
Le conchiglie fossili erano note da tempo tra i curiosi, raccolte con cura e conservate nei loro armadi, insieme ad altre rarità della natura, senza alcun apparente uso. Ciò a cui li ho applicati è nuovo, e la mia attenzione fu prima attirata su di essi da una precedente scoperta della regolarità nella direzione e nell'inclinazione dei vari strati nelle colline intorno a Bath; perchè fu la giusta distinzione che richiedevano quelle rocce simili, che mi condusse alla scoperta di resti organici caratteristici di ogni strato.
Fu questa la scoperta che divenne nota come il principio di successione faunistica di Smith, e che oggi compare nei libri di testo di geologia.
Oltre a sviluppare il principio della successione faunistica, Smith intraprese anche il più ambizioso progetto di cartografia geologica del suo tempo: una carta geologica di tutta l'Inghilterra. Invece di mappare solo la superficie, doveva mappare ciò che si trovava al di sotto, traducendo tre dimensioni in due. Ispirato da una mappa agricola che utilizzava la codifica a colori per trasmettere un ulteriore livello di informazioni, nel 1799 pubblicò A Map of Five Miles round the City of Bath, una delle prime mappe geologiche al mondo, dove quelle che oggi chiamiamo formazioni geologiche erano distinte da colori diversi.
Dopo aver pubblicato la mappa di Bath, iniziò a pensare su una scala più ampia. Sebbene gli amici lo incoraggiassero a sbrigarsi e pubblicare prima di chiunque altro, vari contrattempi, tra i quali il fallimento dell’editore, ritardarono il progetto per anni. Peggio ancora, Smith era sempre pieno di indugi.
Smith poteva non dare molto peso per la diffusione non riconosciuta delle sue idee, ma l'altro suo fedele amico, Benjamin Richardson, lo volle avvisare. Nel maggio 1801 scrisse a Smith una lettera un po' enigmatica con un velato avvertimento che forse il reverendo Townsend avrebbe potuto considerare di pubblicare il lavoro di Smith a proprio vantaggio. Richardson esortò Smith a impegnare rapidamente le sue idee per la stampa.
Ciò sembrò spingere Smith all'azione: il 1° giugno 1801 pubblicò il suo Prospectus per un'opera intitolata Accurate Delineations and Descriptions of the Natural Order of the Various Strata that are Found in Different Parts of England and Wales: with Practical Observations Thereon (Accurati delineamenti e descrizioni dell'ordine naturale dei vari strati che si trovano in diverse parti dell'Inghilterra e del Galles: con osservazioni pratiche al riguardo). Stabilì un piano per un progetto ambizioso, inclusa una descrizione sequenziale di tutti gli strati, insieme a una mappa colorata che li mostrava, nonché una sezione. Smith esaltava le virtù del lavoro, con i suoi potenziali benefici per l'agricoltura, l'estrazione mineraria e un intero elenco di altri mestieri e professioni. Pur riconoscendo che "la storia completa di tutte le minuzie sarebbe un lavoro senza fine", disse che se il prospetto fosse stato ben accolto e supportato, avrebbe inteso continuare l'attività e completare il libro.
Alla fine, tuttavia, vinse la sua natura attendista, e solamente il 1° agosto 1815 pubblicò A Delineation of the Strata of England and Wales. Su una scala di 5 miglia per pollice, la mappa misurava 6 piedi per 8 piedi e 6 pollici (ca. 1,83 x 2,59 m). Come la mappa agricola che aveva visto anni prima, questa mappa era colorata, con gradazioni di colore che indicavano dove una formazione rocciosa lasciava il posto all'altra. I geologi precedenti avevano mappato le formazioni rocciose e persino usato i fossili per identificare le rocce, ma quella di Smith fu la prima mappa a rappresentare così tante formazioni rocciose su un'area così vasta.
Smith realizzò questo impressionante lavoro da solo, spesso usando i propri soldi, forse con suo successivo rammarico. Sebbene avesse goduto di un lavoro stabile nei primi tempi di rilevamento, in seguito lavorò in proprio, contando su un reddito instabile. Iniziò anche a comprare proprietà costose: una tenuta di campagna, spazi per uffici nella località turistica alla moda di Bath, una casa di quattro piani a Londra. Quando la sua mappa fu finalmente pubblicata stava vendendo la sua preziosa collezione di fossili al British Museum per raccogliere denaro. Per quanto dolorosa sia stata la vendita dei fossili, essa rimandò soltanto l'inevitabile fallimento. L'11 giugno 1819, Smith iniziò a scontare una condanna a 11 settimane a King's Bench, una delle famigerate prigioni per debitori di Londra.
La sua stravaganza probabilmente non era l'unica spiegazione per i problemi finanziari. Il suo periodo in prigione per debiti avrebbe potuto essere evitato se la sua mappa avesse venduto meglio, e probabilmente lo avrebbe fatto, se non fosse stata eclissata da un concorrente. George Bellas Greenough, geologo gentiluomo e presidente della Geological Society of London, fu la forza trainante dietro la mappa che sfidò quella di Smith. Grazie all'assistenza inconsapevole di Richard Warner, amico e collaboratore di Smith, storico locale di Bath, Greenough ottenne l'accesso ai manoscritti di Smith, che usò con scarsa riconoscenza. A testimonianza della sua buona fede, Warner era un amico di Smith e in effetti, in seguito, cercò di assicurargli un lavoro in Russia. Sostenuto dal prestigio e dalle risorse della Geological Society, intanto Greenough migliorò leggermente il lavoro di Smith e, poiché la sua mappa aveva un prezzo inferiore, le vendite di Smith furono abbastanza scarse.
Dopo il suo rilascio dalla prigione, Smith intraprese una serie di lavoretti in tutta l'Inghilterra settentrionale, alternando la pratica all'insegnamento in corsi per le società filosofiche locali. A Scarborough, contribuì a creare il museo della città, compresa la progettazione della sua rotonda. Il suo progetto permette di visualizzare i fossili lungo le pareti esterne nello stesso ordine in cui si trovano naturalmente negli strati, offrendo ai visitatori che salgono la scala a chiocciola del museo una guida visiva alla storia della vita sulla Terra.
Dopo anni passati da un lavoro all'altro, Smith trovò un impiego e una confortevole dimora stabile come amministratore terriero in una grande tenuta. In quel periodo, iniziò a ricevere riconoscimenti tardivi per il suo lavoro. Nel 1831, la Geological Society, che in precedenza gli aveva rifiutato l'adesione, gli conferì la Medaglia Wollaston, la sua più alta onorificenza. Ricevette una sorprendente laurea honoris causa in lettere dal Trinity College di Dublino. E cosa più utile, ricevette una pensione a vita dal re Guglielmo IV.
William Smith morì il 28 agosto 1839, dopo una breve malattia. I suoi ultimi anni erano stati felici, in cui aveva goduto della stabilità finanziaria e del riconoscimento professionale che aveva tanto atteso. Nel marzo 2007, una copia restaurata della sua mappa geologica dell'Inghilterra è stata appesa nella Burlington House, attuale sede della Geological Society di Londra, accanto a quella di Greenough.
Il principio di successione faunistica di Smith non forniva una comprensione immediata della storia della vita sulla Terra, forse perché le sue intenzioni erano più pratiche che scientifiche: ordinare accuratamente gli strati rocciosi e aiutare i cercatori di carbone a identificare i posti migliori dove scavare. Una generazione dopo, John Phillips, nipote e biografo di Smith, basandosi sulla sua idea, diede il nome alle principali ere nella scala temporale geologica di oggi: Paleozoico (vita antica), Mesozoico (vita media) e Cenozoico (vita nuova). Questi periodi erano basati sui reperti fossili, in gran parte documentati da Smith.
La scala temporale geologica è il principio della successione fossile messo in pratica: le divisioni all'interno della scala temporale geologica sono tutte basate su successioni fossili nella documentazione rocciosa, periodi in cui specie di piante e animali si sono estinte o sono nate. Prima che la datazione radiometrica consentisse ai geologi di applicare delle date assolute alle rocce, datare gli strati l'uno rispetto all'altro in base ai loro fossili era il miglior metodo disponibile. E poiché non tutte le rocce possono essere datate radiometricamente, la datazione relativa con i fossili continua (e, in effetti, predomina) tuttora.
I fossili non solo consentono agli scienziati di datare gli strati rocciosi, ma anche di scoprire i climi del passato, alcuni dei quali differiscono notevolmente da quelli odierni. La successione dei fossili ha aiutato gli scienziati a capire che non solo il clima della Terra è cambiato nel corso della storia, ma anche i continenti stessi (le zolle tettoniche) si sono spostati sulla superficie del pianeta. Tra le prove fornite da Alfred Wegener per la sua teoria della “deriva dei continenti” c'era che gli strati rocciosi depositati contemporaneamente in Africa e in Sud America contenevano fossili identici, anche se oggi si trovano sulle sponde opposte dell'Atlantico.
L'influenza della successione faunistica ha condizionato anche lo sviluppo della biologia. Sebbene Charles Darwin e Alfred Russel Wallace abbiano proposto la teoria dell’evoluzione dei viventi e della selezione naturale decenni dopo la morte di Smith, il suo lavoro ha permesso ai geologi e ai biologi delle generazioni successive di pensare in termini di lunghi periodi di tempo, un ingrediente necessario per l'evoluzione darwiniana.
Smith non utilizzò i fossili per ricostruire ambienti passati o una storia dettagliata della Terra. Ciò nonostante, il suo principio di successione faunistica è diventato il fondamento di gran parte della nostra comprensione di come il clima, i continenti e la vita stessa della Terra siano cambiati radicalmente nel tempo.
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