Tema 70

Aquest tema articula tres grans idees que vertebren les Ciències de la Terra i de la Vida: que el nostre planeta és un sistema dinàmic en permanent transformació, que les roques i els fòssils conserven el registre d'aqueixa història, i que la vida ha canviat al llarg d'un temps geològic immens a través del procés de l'evolució. Es tracta, per tant, d'un tema integrador i marcadament conceptual, en el qual la cronologia —relativa i absoluta— actua com a fil conductor entre la geologia, la paleontologia i la biologia evolutiva.

La seua rellevància és doble. Des del punt de vista científic, la noció d'un planeta i una biosfera canviants en escales de milions d'anys constitueix un dels grans assoliments del pensament modern i el marc explicatiu de tota la biologia. Des del punt de vista didàctic, és un contingut especialment ric per a treballar la naturalesa de la ciència: com les idees fixistes van ser substituïdes per explicacions dinàmiques i evolutives a la llum de noves proves. El tema s'aborda de forma progressiva al llarg de l'ESO i del Batxillerat en la matèria de Biologia i Geologia.

1. La Terra, un planeta en continu canvi

La Terra no és un cos estàtic: la seua superfície i el seu interior es transformen de manera contínua per l'acció de processos geològics que operen a ritmes molt distints, des de la lentitud de l'orogènesi fins a la brusquedat d'un terratrèmol o una erupció. Aquests processos s'agrupen en dues grans categories segons la seua font d'energia.

• Processos geològics interns (energia interna: calor residual de la formació planetària i desintegració radioactiva). Comprenen el magmatisme, el metamorfisme i la tectònica (deformació, plegament, fracturació i formació de relleu). Tendeixen a construir relleu.
• Processos geològics externs (energia solar i gravetat). Comprenen la meteorització, l'erosió, el transport i la sedimentació duts a terme pels agents geològics externs (aigua, vent, gel, éssers vius). Tendeixen a arrasar el relleu.

La interacció entre tots dos se sintetitza en el cicle de les roques, que descriu com els materials passen d'un tipus a un altre: les roques es meteoritzen i els seus productes es sedimenten i compacten (roques sedimentàries); l'enterrament i l'augment de pressió i temperatura les transformen (roques metamòrfiques); la fusió genera magma que, en refredar-se, cristal·litza (roques ígnies o magmàtiques). El cicle no té principi ni fi: és una circulació contínua de matèria impulsada per l'energia interna i externa.

La tectònica de plaques

El marc unificador de la dinàmica terrestre és la teoria de la tectònica de plaques. El seu antecedent és la hipòtesi de la deriva continental proposada per Alfred Wegener (1912), que va reunir proves geogràfiques (encaix de les costes atlàntiques), paleontològiques (fòssils idèntics —com Mesosaurus— en continents hui separats), litològiques i paleoclimàtiques per a postular un supercontinent únic, Pangea, fragmentat i desplaçat. Wegener no va saber, però, explicar el mecanisme, i la seua idea va ser rebutjada durant dècades.

A mitjan segle XX, el descobriment de l'expansió del fons oceànic (Hess, Dietz) i de les anomalies magnètiques simètriques a les dorsals (Vine i Matthews) va aportar aqueix mecanisme. La litosfera està fragmentada en plaques rígides que es desplacen sobre l'astenosfera; en les dorsals es crea escorça nova i en les zones de subducció es destrueix, impulsades per corrents de convecció del mantell. Els marges de placa poden ser divergents (dorsals), convergents (subducció, col·lisió i orogènesi) o transformants (falles de desplaçament lateral), i en ells es concentren l'activitat sísmica i volcànica.

El principi de l'actualisme

La interpretació de tots aquests canvis es recolza en un principi metodològic fonamental, l'actualisme o uniformisme, formulat per James Hutton i divulgat per Charles Lyell: «el present és la clau del passat». Els processos geològics que observem hui són els mateixos que van actuar en el passat, de manera que estudiant el seu ritme actual podem reconstruir la història de la Terra. Aquest principi, juntament amb l'enorme extensió del temps geològic, va resultar decisiu per al mateix Darwin.

2. Els fòssils com a indicadors

Un fòssil és tot rest o senyal de l'activitat d'un organisme del passat conservat en les roques, generalment sedimentàries. La disciplina que els estudia és la paleontologia, i la ciència de la seua formació, la tafonomia. La fossilització és un procés excepcional: exigeix l'enterrament ràpid del rest en condicions que impedeixen la seua descomposició, per la qual cosa el registre fòssil és necessàriament incomplet i esbiaixat cap a organismes amb parts dures.

Els principals processos de fossilització són:

• Mineralització o petrificació: els porus o els teixits s'omplin o se substitueixen per minerals (permineralització, silicificació).
• Motles i contramotles: l'organisme es dissol i deixa una empremta (motle extern o intern) que pot omplir-se.
• Carbonització: la matèria orgànica perd volàtils i queda com una fina pel·lícula de carboni (freqüent en fulles i peixos).
• Conservació íntegra: casos excepcionals en ambre, gel o torberes.
• Icnofòssils o fòssils d'activitat: petjades, pistes, galeries, copròlits, que informen del comportament de l'organisme.

Des del punt de vista de la seua utilitat com a indicadors, es distingeixen dos tipus amb aplicacions complementàries:

• Fòssils guia o directors. Corresponen a espècies d'àmplia distribució geogràfica, abundants i d'existència breu en el temps (evolució ràpida). El seu valor rau en el fet que permeten datar i correlacionar estrats de regions distintes: són la base de la bioestratigrafia. Exemples clàssics són els trilobits (Paleozoic), les ammonites (Mesozoic) o els nummulits (Cenozoic).
• Fòssils de fàcies. Corresponen a organismes molt lligats a un ambient concret; la seua presència informa de les condicions del medi de sedimentació (marí somer, esculloso, continental…). Són indicadors paleoambientals, paleoclimàtics i paleogeogràfics.

Així, els fòssils no sols proven l'existència de vida pretèrita, sinó que serveixen per a ordenar el temps (datació relativa), reconstruir antics ecosistemes i climes, i —com a proves de l'evolució— documentar el canvi dels éssers vius.

3. El temps geològic

Mesurar el temps geològic —de l'ordre de milers de milions d'anys— exigeix distingir entre datació relativa (ordenar successos) i datació absoluta (assignar una edat numèrica).

Datació relativa

Estableix l'ordre cronològic dels estrats i estructures sense quantificar la seua edat, mitjançant una sèrie de principis estratigràfics:

• Superposició (Steno): en una sèrie no deformada, cada estrat és més recent que el que té a sota i més antic que el que té damunt.
• Horitzontalitat original: els sediments es dipositen en capes horitzontals; si apareixen inclinats o plegats, van patir deformació posterior.
• Continuïtat lateral: un estrat s'estén lateralment fins a acunyar-se o topar amb un obstacle.
• Superposició d'esdeveniments (relacions de tall): tota estructura que talla una altra (una falla, un dic) és posterior a ella.
• Successió faunística (William Smith): els estrats contenen conjunts de fòssils característics que se succeeixen en un ordre determinat i reconeixible, la qual cosa permet correlacionar sèries distants mitjançant els fòssils guia.

Datació absoluta

Es basa sobretot en la radioactivitat. Un isòtop radioactiu (pare) es desintegra en un altre estable (fill) a una velocitat constant i independent de les condicions fisicoquímiques, descrita per la llei de desintegració:

$$N(t) = N_0\,e^{-\lambda t}$$

on $N_0$ és el nombre inicial de nuclis pare, $N(t)$ el nombre que queda després d'un temps $t$ i $\lambda$ la constant de desintegració. El període de semidesintegració (temps en què es desintegra la meitat dels nuclis) és:

$$t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$$

Mesurant en la roca la proporció entre isòtop pare ($P$) i fill ($D$) acumulat, es despeja l'edat:

$$t = \frac{1}{\lambda}\,\ln\!\left(1 + \frac{D}{P}\right)$$

Cada parell isòtop/producte té un rang d'aplicació segons el seu $t_{1/2}$:

• Urani–plom, ${}^{238}_{92}\mathrm{U} \longrightarrow {}^{206}_{82}\mathrm{Pb}$ ($t_{1/2}\approx 4{,}5\cdot 10^{9}$ anys): roques molt antigues.
• Potassi–argó, ${}^{40}_{19}\mathrm{K} \longrightarrow {}^{40}_{18}\mathrm{Ar}$ ($t_{1/2}\approx 1{,}3\cdot 10^{9}$ anys): roques volcàniques.
• Carboni-14, ${}^{14}_{6}\mathrm{C} \longrightarrow {}^{14}_{7}\mathrm{N} + \beta^-$ ($t_{1/2}\approx 5730$ anys): matèria orgànica recent, fins a uns 50 000 anys.

Combinant datació relativa i absoluta s'ha construït l'escala de temps geològics, que divideix la història de la Terra en unitats jeràrquiques —eons, eres, períodes, èpoques— els límits de les quals solen coincidir amb grans canvis en el registre fòssil (extincions, radiacions). La Terra té una edat d'uns 4600 milions d'anys (Ma). Es distingeixen el llarg Precambrià (eons Hàdic, Arcaic i Proterozoic), que abraça quasi el 88 % de la història terrestre, i el Fanerozoic (vida «visible»), subdividit en les eres Paleozoica, Mesozoica i Cenozoica. L'aparició dels primers metazous amb parts dures (~541 Ma) marca l'inici del Paleozoic; grans extincions massives delimiten les seues eres (la de la fi del Permià i la de la fi del Cretaci, aquesta última associada a la desaparició dels dinosaures no avians).

4. Explicacions històriques al problema dels canvis

La constatació que les roques i els fòssils registren canvis va plantejar un problema teòric: com explicar aqueixes transformacions? La resposta va oscil·lar entre dues concepcions oposades.

El fixisme sostenia que la Terra i les espècies eren essencialment immutables des del seu origen. En geologia va adoptar la forma del catastrofisme, el màxim exponent del qual va ser Georges Cuvier: els canvis del registre fòssil es devien a una successió de catàstrofes brusques (diluvis, cataclismes) que aniquilaven les faunes, repoblades després. Cuvier, fundador de l'anatomia comparada i de la paleontologia, va demostrar la realitat de les extincions, però va negar la transformació de les espècies.

Enfront d'ell es va afermar l'actualisme-gradualisme de Hutton i Lyell: els canvis resulten de l'acció lenta, contínua i acumulativa dels processos geològics ordinaris al llarg d'un temps immens. Aquesta visió, que exigia una Terra moltíssim més antiga del que es creia, va dissoldre la necessitat de catàstrofes i va proporcionar a la biologia el marc temporal imprescindible per a pensar l'evolució.

En biologia, la primera teoria transformista coherent va ser la de Jean-Baptiste Lamarck (1809), que va trencar amb el fixisme en afirmar que les espècies canvien i descendeixen unes d'altres. La síntesi de gradualisme geològic i transformisme biològic culminaria en la teoria de la selecció natural de Charles Darwin i Alfred Russel Wallace (1858-1859). Hui sabem que la realitat combina ambdós temps: el canvi gradual predomina, però episodis catastròfics (com l'impacte meteorític de la fi del Cretaci) també han modelat la història de la vida.

5. L'evolució, mecanismes i proves

L'evolució biològica és el procés de canvi en les característiques heretables de les poblacions al llarg de les generacions, del qual resulta la diversitat i el parentesc de tots els éssers vius a partir d' avantpassats comuns. És el principi unificador de la biologia.

Del transformisme a la teoria sintètica

• Lamarckisme. Lamarck va proposar dos mecanismes: la funció crea l'òrgan (ús i desús: els òrgans usats es desenvolupen i els no usats s'atrofien) i l'herència dels caràcters adquirits (allò adquirit en vida es transmet a la descendència). Encara que el mecanisme és erroni —els caràcters adquirits no s'hereten—, va tenir el mèrit històric de defensar la transformació de les espècies.
• Darwinisme. Darwin i Wallace van explicar l'evolució per selecció natural: dins d'una població existeix variabilitat heretable; es produeixen més descendents dels que el medi pot sostenir (lluita per l' existència); els individus amb variacions avantatjoses sobreviuen i es reprodueixen més (supervivència del més apte), de manera que aqueixes variacions es fan més freqüents. La selecció natural és, doncs, reproducció diferencial no aleatòria. Darwin desconeixia l'origen i la transmissió de la variabilitat.
• Teoria sintètica o neodarwinisme. En el segle XX, la fusió del darwinisme amb la genètica mendeliana i la genètica de poblacions (Fisher, Haldane, Wright, Dobzhansky, Mayr, Huxley) va resoldre aqueix problema: la variabilitat procedeix de les mutacions i la recombinació, i la selecció actua sobre les freqüències gèniques.

Mecanismes del canvi evolutiu

L'objecte d'estudi és la població, definida pel seu patrimoni genètic. Els factors que alteren les freqüències al·lèliques són:

• Mutació: font primària de nova variabilitat.
• Recombinació genètica (reproducció sexual): redistribueix la variabilitat existent.
• Selecció natural: dirigeix el canvi afavorint els genotips més aptes.
• Deriva genètica: variació aleatòria de freqüències en poblacions xicotetes.
• Migració o flux gènic: entrada i eixida d'al·lels entre poblacions.

El model de referència és l'equilibri de Hardy-Weinberg, que descriu una població ideal on les freqüències al·lèliques i genotípiques romanen constants en absència dels factors anteriors. Si $p$ i $q$ són les freqüències de dos al·lels, amb

$$p + q = 1,$$

les freqüències dels tres genotips vénen donades pel desenvolupament del quadrat:

$$p^{2} + 2pq + q^{2} = 1$$

Tota desviació observada respecte d'aquest equilibri revela que algun mecanisme evolutiu està actuant: el model funciona com a «hipòtesi nul·la» de l'evolució. L'acumulació d'aquests canvis, juntament amb l'aïllament reproductiu (especiació al·lopàtrica o simpàtrica), dóna origen a noves espècies.

Proves de l'evolució

L'evidència procedeix de camps independents que convergeixen:

• Paleontològiques. El registre fòssil mostra successió i aparició gradual de formes, i formes de transició (com Archaeopteryx, entre rèptils i aus, o les sèries de l'evolució del cavall i dels homínids).
• Anatòmiques comparades. Els òrgans homòlegs (mateix origen, distinta funció; p. ex. l'extremitat dels tetràpodes) revelen divergència a partir d'un avantpassat comú; els òrgans anàlegs (mateixa funció, distint origen; ala d'insecte i d'au) revelen convergència adaptativa. Els òrgans vestigials (apèndix, còccix) són restes sense funció d'estructures ancestrals.
• Embriològiques. El desenvolupament embrionari conserva trets comuns entre grups emparentats (arcs branquials en embrions de vertebrats terrestres).
• Biogeogràfiques. La distribució de les espècies s'explica per la seua història evolutiva i la deriva dels continents (fauna singular d'illes i de regions aïllades com Austràlia).
• Bioquímiques i moleculars. La universalitat del codi genètic, i la comparació de seqüències d'ADN i proteïnes, permeten quantificar el parentesc: com major és la semblança molecular, més pròxim l'avantpassat comú. Són hui les proves més contundents.

Aportacions recents

La teoria sintètica s'ha ampliat amb la teoria neutralista de Kimura (gran part de la variació molecular és selectivament neutra i es fixa per deriva), l' equilibri puntuat de Gould i Eldredge (llargs períodes d'estasi interromputs per episodis ràpids de canvi) i la biologia evolutiva del desenvolupament (evo-devo), que estudia com canvis en els gens reguladors del desenvolupament generen novetats morfològiques.

Aplicació didàctica

En el currículum LOMLOE, aquests continguts corresponen a la matèria de Biologia i Geologia, regulada en l'ESO pel Real Decreto 217/2022 i en Batxillerat pel Real Decreto 243/2022. La geologia dinàmica i la tectònica de plaques es treballen sobretot en 3r i 4t d'ESO; el temps geològic, els fòssils i l' evolució assoleixen el seu desenvolupament formal en 4t d'ESO i s'aprofundeixen en 1r de Batxillerat. Són continguts idonis per a desenvolupar la competència STEM i la competència en la naturalesa de la ciència, plantejant situacions d'aprenentatge al voltant de la interpretació de columnes estratigràfiques, la correlació mitjançant fòssils guia o l'anàlisi d'arbres filogenètics.

Convé anticipar les idees prèvies i errors freqüents, especialment en evolució: pensar de forma lamarckista (l'organisme es transforma «perquè ho necessita» o «per l'esforç»); creure que els individus evolucionen (evoluciona la població, no l'individu); interpretar l'evolució com a progrés dirigit cap a l'ésser humà o cap a la «perfecció» (és un procés sense finalitat); confondre homologia i analogia; o l'ús col·loquial de «teoria» com a sinònim de conjectura, quan en ciència designa un marc explicatiu sòlidament contrastat. En geologia són habituals la infravaloració de les escales de temps (dificultat per a concebre milions d'anys) i la confusió entre datació relativa i absoluta. El treball amb models, fòssils reals o rèpliques, simulacions de selecció natural i la interpretació de gràfiques i talls geològics resulta molt eficaç per a corregir aquestes concepcions alternatives.

Conclusió

La Terra és un sistema dinàmic la història del qual —escrita en les roques i els fòssils— només pot llegir-se amb les claus del temps geològic i del principi de l' actualisme. El pas de les explicacions fixistes i catastrofistes a les dinàmiques i evolutives constitueix un dels grans canvis de paradigma de la ciència, culminat en la teoria de l'evolució per selecció natural i la seua posterior integració amb la genètica en la teoria sintètica. Els fòssils articulen els tres eixos del tema: són cronòmetres del passat, testimonis d'antics ambients i proves del canvi de la vida. Comprendre que un mateix fil —el temps— enllaça la dinàmica del planeta i la de la biosfera és la síntesi que aquest tema aporta a la formació científica de l'alumnat.