II. Scusa, ma quanti millenni hai?
Misurare il tempo
Il racconto della nostra storia naturale comporta, come abbiamo appena visto, una quantità di domande riguardo agli aspetti cronologici. Quando apparvero e quando si estinsero le prime scimmie antropomorfe bipedi, nonché le diverse specie pre-umane e umane?31 Quando popolarono le diverse regioni e continenti del pianeta? La scomparsa dei grandi animali del Pleistocene in America e in Australia o quella dei Neanderthal in Eurasia ha coinciso con l’arrivo di H. sapiens? È possibile sincronizzare gli eventi evolutivi e le dispersioni umane con i cambiamenti geologici e climatici? È compatibile la storia umana dedotta dai resti fossili e archeologici con quella rivelata dal DNA dell’umanità odierna e di alcune delle forme estinte?
Per rispondere a queste domande dobbiamo attribuire una scala temporale affidabile al registro archeologico.
I geocronometri più precisi e affidabili sono basati sulla radioattività e sulle radiazioni naturali32. In alcuni casi si misura direttamente il decadimento di certi nuclidi radioattivi (radionuclidi), originati dal bombardamento dei raggi cosmici o presenti nella crosta terrestre fin dai primordi. In altri casi si misura indirettamente, nello smalto dei denti fossili o in certi cristalli, l’accumulo nel tempo di tracce microscopiche o di altri effetti misurabili, causati dalle radiazioni naturali. Inoltre, le cronologie «assolute» fornite dai suddetti orologi nucleari possono essere integrate con metodi che forniscono cronologie «relative», basate su cambiamenti geologici, chimici e biologici. Ad esempio, possiamo studiare la sedimentazione, l’erosione, l’idratazione, le trasformazioni molecolari, le variazioni del campo magnetico terrestre, o i tempi dell’evoluzione di specie animali e vegetali.
Con queste premesse, possiamo dunque iniziare il nostro viaggio nel tempo profondo. Per farlo, abbiamo scelto di passare in rassegna alcune delle tecniche più importanti di datazione dei depositi e dei reperti paleoantropologici, seguendo un percorso che vada a ritroso nel tempo. Inizieremo pertanto da casi-studio recenti, più vicini alla nostra percezione del tempo (e per i quali i nostri «cronometri» riescono a essere più precisi), per passare poi a casi-studio via via più remoti.
2.1. Intervalli temporali raggiungibili dai principali metodi di datazione.
Ötzi: la mummia del Similaun
Il 19 settembre 1991 una coppia di escursionisti trovò un corpo congelato intrappolato nel ghiacciaio del Similaun, sulle Alpi Venoste, al confine tra la provincia di Bolzano e la Valle di Ötztal, nel Tirolo austriaco. Si trattava di un corpo molto ben conservato e sulle prime si pensò che fosse quello di un montanaro o forse di un alpino morti da poco tempo.
Il professor Konrad Spindler, direttore dell’Istituto di Preistoria di Innsbruck, fu il primo archeologo a vedere il corpo nella camera mortuaria della città. Egli notò che era mummificato, probabilmente a causa della disidratazione attribuibile sia ai venti gelidi provenienti da nord che al föhn, il vento caldo secco che può soffiare sulle Alpi. Poiché la forma dell’ascia trovata accanto a Ötzi (uno dei soprannomi della mummia, dal nome della valle austriaca in cui fu trovato) era tipica della prima Età del Bronzo, Spindler ipotizzò che i resti umani potessero avere almeno 4 ka. Per verificare l’ipotesi furono prelevati numerosi campioni sia dal corpo sia dagli altri oggetti, di origine organica, ad esso associati. Il metodo utilizzato fu quello del radiocarbonio misurato in spettrometria di massa con acceleratore (AMS, dalla denominazione inglese Accelerator Mass Spectrometry).
La datazione al radiocarbonio (o carbonio-14) si basa sull’instabilità di questo particolare isotopo33 del carbonio, che ha la capacita di ‘trasmutare’ naturalmente in azoto-14, con un tempo di dimezzamento34 di 5.730 anni. Il decadimento del carbonio-14 produce l’emissione di radiazioni denominate particelle beta (ovvero elettroni che si muovono a velocità paragonabili a quelle della luce).
Facciamo una piccola parentesi su quel fenomeno onnipresente che è la radioattività. La sua esistenza in natura fu scoperta nel 1896 da Antoine Henri Becquerel, il quale si accorse che i sali di uranio potevano impressionare una lastra fotografica. Marie Curie e suo marito Pierre continuarono tali studi anche su altri elementi naturali, usando metodi più quantitativi, basati su particolari effetti delle radiazioni emesse35. Tutti e tre gli scienziati francesi (Marie in realtà era di origine polacca) presero il Nobel per la fisica nel 1903. Nei decenni successivi, usando rivelatori e metodologie sempre più raffinati, furono scoperti altri radionuclidi naturali, sia di origine primordiale che prodotti dalle radiazioni cosmiche, molti utilizzabili come cronometri in geologia e archeologia.
Fu il fisico americano Willard Libby, un veterano del Progetto Manhattan, a scoprire nel 1946 il carbonio-14 in natura, analizzando il metano delle fognature di Chicago. Il carbonio-14 dovrebbe essere tutto decaduto e non esistere nell’ambiente, essendo la sua vita media36 molto più breve dell’età della Terra, che è di 4,5 miliardi di anni37. Esso è però continuamente prodotto dalle reazioni nucleari dei raggi cosmici che bombardano il nostro pianeta. Il radiocarbonio di origine cosmica rimpiazza quello che decade, per cui la sua concentrazione nell’atmosfera e nell’ambiente terrestre rimane pressoché costante nel tempo (vedremo che questo è vero solo in prima approssimazione).
I raggi cosmici sono costituiti da particelle (in gran parte protoni, ovvero nuclei di idrogeno) ad altissima energia, originate dalle stelle che esplodono nella galassia (supernovae). Furono scoperti nel 1912 dallo scienziato austriaco Hermann Hess (che per questo ottenne il premio Nobel). Le reazioni nucleari dei protoni cosmici con gli atomi di azoto e di ossigeno della stratosfera causano l’emissione di neutroni. Una volta rallentati, i neutroni38 producono altre reazioni nucleari con l’azoto-14, originando il carbonio-14. La sua concentrazione nell’atmosfera è di un atomo su circa mille miliardi di atomi degli isotopi di carbonio che sono stabili: carbonio-12 (99% di tutto il carbonio) e carbonio-13 (1%).
Il carbonio-14 entra così a far parte della catena alimentare attraverso la respirazione e la fotosintesi. La concentrazione di carbonio-14 negli organismi viventi è quasi uguale a quella nell’atmosfera. Dopo la formazione dei tessuti, la concentrazione di carbonio-14 inizia a diminuire (a causa del suo decadimento radioattivo) e la sua quantità residua fornisce con precisione l’età della materia organica; in altre parole, il tempo trascorso da quando l’organismo si era formato39.
Libby effettuava le datazioni contando le particelle beta emesse dal materiale organico di interesse con opportuni rivelatori a gas chiamati «camere a ionizzazione» (dopo averne concentrato il carbonio con vari trattamenti chimici, per esempio la combustione, nel caso di ossa, e l’idrolisi, nel caso di conchiglie). Lo scienziato americano ottenne il premio Nobel per la chimica nel 1960 per avere ideato il metodo di datazione basato sul carbonio-14.
I metodi basati sulla misura delle particelle beta del carbonio-1440 vennero migliorati negli anni, aumentandone sensibilità e precisione. Il metodo AMS, utilizzato anche nel caso di Ötzi, ha rivoluzionato, a partire dalla fine degli anni Settanta, la datazione al radiocarbonio, permettendo di contare direttamente gli atomi di carbonio-14 invece di attendere il loro lento decadimento radioattivo. La quantità di campione organico necessaria per questo tipo di analisi è quindi migliaia di volte inferiore a quella usata nei sistemi convenzionali (dato che si usa meno di un milligrammo di carbonio invece di parecchi grammi o, addirittura, di etti o anche chili di materiale biologico grezzo, come le ossa, specialmente quando sono antiche e quindi la concentrazione di carbonio-14 è molto ridotta).
Per la datazione di Ötzi, piccoli frammenti di ossa e fibre di tessuto furono prelevati dalla parte già danneggiata della mummia e inviati a vari laboratori. L’analisi diede un risultato molto preciso per l’«età radiocarbonio»: cioè 4.546 ± 17 anni fa (o, come si dice fra gli addetti ai lavori, BP41). Questa età non tiene conto del fatto che la concentrazione del carbonio-14 nell’atmosfera (corrispondente al tempo zero dell’orologio atomico) è mutata nel corso del tempo, essendo influenzata dalla variabilità del campo magnetico terrestre e di quello solare, che schermano il pianeta dai raggi cosmici. Inoltre, i rapporti tra i diversi isotopi del carbonio – carbonio-12, carbonio-13 e carbonio-14 – sono influenzati dalla fotosintesi e da altri processi fisico-chimici che caratterizzano il ciclo del carbonio, inclusa la circolazione atmosferica ed oceanica. Si devono quindi introdurre opportune calibrazioni. La dendrocronologia, in particolare, fornisce correzioni molto accurate per le variazioni nel tempo della concentrazione di radiocarbonio nell’atmosfera42. La calibrazione si basa sull’analisi della concentrazione di carbonio-14 presente negli anelli di accrescimento (di età nota) in alberi che sono vissuti per molte migliaia di anni. C’è però un problema: la concentrazione di carbonio-14 nei materiali organici è in grado di rivelarne l’età fino a oltre 50 ka, ma la scala basata sulla dendrocronologia arriva solo fino a circa 12 ka. La calibrazione viene allora estesa usando sedimenti, coralli, foraminiferi e stalattiti43, che consentono di costruire una curva di calibrazione che arriva fino a circa 50 ka.
Ötzi, alla fine delle calibrazioni (che includono la correzione sul tempo di dimezzamento), risultò vissuto tra il 3110 e il 3370 avanti Cristo, con un margine di errore molto più esteso (a causa della variabilità nella concentrazione del radiocarbonio atmosferico nel periodo di riferimento) rispetto a quanto ottenuto direttamente.
Molte informazioni sulla mummia provennero dalla semplice ispezione visuale (macroscopica e microscopica). Ad esempio, la stagione della sua morte fu dedotta, sin dalle prime indagini, in base alla presenza di more nello zaino, frutti che in montagna maturano appunto in autunno; inoltre, il polline e i germogli di grano trovati nei suoi vestiti suggerivano la sua provenienza da una zona agricola più meridionale. Aveva anche i denti piuttosto consumati, indizio di una dieta a base di cereali macinati. Altre informazioni su Ötzi e sull’ambiente nel quale viveva furono ricavate dalle analisi isotopiche e degli elementi in traccia, di cui parleremo fra poco44.
Insomma, la scoperta di Ötzi – un uomo della nostra specie vissuto all’alba dell’Età dei Metalli, invero piuttosto recente per il campo dell’evoluzione umana – ci ha aperto alcune finestre sulle possibilità che oggi abbiamo di osservare in qualche dettaglio e con buona precisione le caratteristiche e lo stile di vita dei nostri antenati.
2.2. Sistema miniaturizzato per l’analisi del carbonio-14 con spettrometria di massa e acceleratore di ioni a bassa tensione (250 KVolt). Gli atomi ionizzati del carbonio vengono accelerati e, dopo vari stadi di analisi magnetiche ed elettrostatiche e di dissociazione molecolare, vengono contati singolarmente in un rivelatore di particelle. Si raggiungono sensibilità isotopiche di una parte per un milione di miliardi. Sistemi simili sono usati per l’analisi di altri isotopi cosmogenici, come il berillio-10 (per gentile concessione della National Electrostatics Corporation, Stati Uniti).
H. sapiens alla conquista del mondo
Facciamo un secondo passo indietro nel tempo, all’epoca della comparsa della nostra specie, circa 200 ka, in Africa. Solo 100 mila anni più tardi troviamo invece i primi segni di «modernità» culturale45.
A partire dalla sua comparsa, l’intera specie H. sapiens non superò probabilmente il milione di individui, mantenendo tale concentrazione demografica fino all’inizio del Neolitico, circa 10 ka, quando iniziarono le prime pratiche agricole e furono addomesticate molte specie di animali (principalmente nel Medio Oriente, ma anche in altre aree del mondo). Recenti analisi del DNA estratto da scheletri trovati in Germania, con età radiocarbonio di oltre 7 ka, rivelano che l’agricoltura in Europa esplose proprio in concomitanza con l’immigrazione di gruppi provenienti dal Medio Oriente. Questi risultati connettono la linea dei primi agricoltori europei con le popolazioni nell’attual...