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Sterkfontein es un sistema de cuevas en Sudáfrica que Robert Broom hizo famoso a partir de la década de 1930 para el estudio de la evolución humana. Antes, en 1924 Raymond Dart había descubierto un pequeño cráneo en Taung, que vio claro como un homínido bípedo de unos 2-3 años (Niño de Taung), por lo que definió el nuevo género Australopithecus y la especie Au. africanus. Este gran hallazgo tuvo dos décadas de debate, hasta que Broom fue encontrando distintos restos en Sterkfontein que asignó a esta especie. Tal vez el más icónico es el cráneo Sts 5 apodado Mrs Ples (Señora Ples) encontrado en 1947 de forma bastante accidentada, ya que Broom empleó dinamita para extraerlo de la roca y provocó la rotura del cráneo en dos piezas y algunos daños en la cara. Por cierto, tampoco está del todo claro si la Señora Ples es de sexo femenino.

Del área de Sterkfontein denominada Member 4 procede medio centenar de individuos, casi la mitad de los especímenes del registro fósil de Au. africanus. La datación que venía manejándose para ellos era de entre 2,1 y 2,6 Ma, basada en los restos de fauna asociados o en los depósitos de calcita. La datación de estas cuevas sudafricanas es difícil porque el sedimento no es volcánico como en el este de África, lo que permite una datación muy precisa, sino una roca detrítica denominada brecha (breccia), un cemento natural.

La novedad es la datación por núclidos cosmogénicos del sedimento del Member 4, que aumenta en un millón de años la antigüedad supuesta para los Au. africanus de Sterkfontein, hasta 3,4-3,7 Ma, mucho más cercana al inicio de la era de los autralopitecos que a su final. De acuerdo al estudio geológico y la dinámica de sedimentos, el error de las dataciones anteriores sería causado por la mezcla de fósiles de animales de diferentes épocas y de depósitos de calcita más reciente en sedimentos más antiguos, tal vez durante las excavaciones de las décadas de 1930 y 1940.

¿Qué es la datación cosmogénica?

El oxígeno-16 y el silicio-28 son muy comunes en la corteza terrestre. Los bombardeos ocasionales de rayos cósmicos provocan colisiones microscópicas de alta energía en las rocas de cuarzo, y hacen convertir el oxígeno-16 en berilio-10 y el silicio-28 en aluminio-26. Ambos isótopos son radiactivos y se descomponen a diferentes velocidades. Si el material cristalino es sedimentado bajo tierra, deja de crearse aluminio-26 y berilio-10, y el ratio entre los dos elementos cambia de una forma constante según se descomponen. Ese ratio es una medida natural del tiempo transcurrido desde que se quedó enterrado el cuarzo que encapsula el fósil, y puede determinarse mediante espectrometría de masas con acelerador (AMS).

Nuevas cuestiones tras este hallazgo

• En realidad, no es una antigüedad que sorprenda demasiado. Little Foot (StW 573), el esqueleto más completo de Australopithecus conocido hasta el momento (90%, frente a uno 40% de Lucy), del Member 2, había sido fechado en 3,67 Ma y esta antigüedad sí era sorprendente. Ahora encaja todo mejor. Todos los sedimentos con fósiles de homininos del Member 4 de Sterkfontein tienen esa antigüedad, no solo Little Foot.

• ¿Qué ocurre con los Australopithecus africanus de otros yacimientos? Comenzando por el propio Niño de Taung a partir del cual se definió la especie, o los sitios de Swartkrans, Makapansgat y Drimolen Main Quarry (con fechas de unos 2 Ma) y Drimolen Makondo (unos 2,61 Ma). Aunque no podemos descartar que esta especie se extendiera durante largo tiempo, habrá que aplicar este método de datación en otros yacimientos. Lo malo de Taung en particular, es que el contexto original de aquel fósil ya está alterado y perdido.

• Puede cobrar fuerza la hipótesis de la aparición de los parántropos en el sur de África como una evolución especializada de un grupo de australopitecos, un millón de años tras la aparición de estos.

• Y podría tener un nuevo impulso la hipótesis de la Segunda Especie en Sterkfontein. Según ella, la variabilidad morfológica de Au. africanus se explicaría porque en Sterkfontein Member 4 y en Makapansgat vivió una segunda especie de Australopithecus con muchos rasgos afines a Paranthropus. Ahora, con un millón de años de evolución en medio, puede que esa especie estuviera efectivamente representando una transición hacia los parántropos.

• ¿Cómo encaja Australopithecus sebida en esta historia? Au. sediba es una especie definida a partir de los fósiles de Malapa, a pocos km de Sterkfontein, datada en unos 2 Ma. La separación entre los primeros Au. africanus y Au. sediba es de casi millón y medio de años, lo cual, por otra parte, explicaría el mosaico de rasgos de sediba, con algunos claramente derivados respecto a africanus.

• Y la «East Side Story»: todos tenemos en mente a Lucy (3,2 Ma), las huellas de Laetoli (3,6 Ma) y otros Australopithecus afarensis en esa cronología contemporánea con la que conocíamos para Little Foot en el sur, y ahora con el resto de fósiles de Sterkfontein. Sigue siendo una gran incógnita la relación entre los australopitecos del sur y del este (y los de África Central, si incluimos los restos de Chad denominados Australopithecus bahrelgazali). Pero se debilita la posible posición de Au. africanus como especie sucesora de Au. afarensis.

Referencia: Granger, D. E. et al. (2022). Cosmogenic nuclide dating of Australopithecus at Sterkfontein, South Africa. PNAS.

Mrs. Ples is older than Lucy: new questions

Sterkfontein is a cave system in South Africa that Robert Broom made famous from the 1930s for human evolution studies. Earlier, in 1924 Raymond Dart had discovered a small skull in Taung, which he saw clearly as a bipedal hominid of about 2-3 years old (Taung Child), so he defined the new genus Australopithecus and the species Au. africanus. This great finding was debated for two decades, until Broom found new several remains in Sterkfontein that were assigned to this species. Perhaps the most iconic is the Sts 5 skull nicknamed Mrs. Ples, found in 1947 in a rather accidental way, since Broom used dynamite to extract it from the rock and caused the skull to break into two pieces and some damage to the face. By the way, it is also not entirely clear whether Mrs. Ples is female.

In the Sterkfontein area called Member 4 near fifty individuals have been found, almost half of the specimens in the fossil record of Au. africanus. The traditional dating estimated for them was between 2.1 and 2.6 Ma, based on the associated faunal remains and the calcite flowstone. The dating of these South African caves is difficult because the sediment is not volcanic as in East Africa, which allows a very precise dating, but a detrital rock called breccia, a natural cement.

The news is the cosmogenic nuclide dating of the Member 4 sediment, which pushes back the assumed age of the Au. africanus specimens from Sterkfontein by one million years, to 3.4-3.7 Ma, much closer to the beginning of the Au. africanus era than to its end. According to the geological study and sediment dynamics, the error in the previous dating would have been caused by the mixing of fauna remains from different ages and more recent calcite flowstone deposited in older sediments, perhaps during the excavations of the 1930s and 1940s.

What is cosmogenic dating?

Oxygen-16 and silicon-28 are very common on the Earth’s surface. Occasional cosmic ray events cause microscopic high-energy collisions in quartz rocks, converting oxygen-16 to beryllium-10 and silicon-28 to aluminum-26. Both isotopes are radioactive and decay at different rates. If the crystalline material is sedimented underground, aluminum-26 and beryllium-10 are no longer created, and the ratio of the two elements changes steadily as they decay. That ratio is a natural measure of the time elapsed since the quartz encapsulating the fossil was buried, and can be determined by accelerator mass spectrometry (AMS).

New questions after this finding

• Actually, it is not a very surprising dating. Little Foot (StW 573), the most complete Australopithecus skeleton known so far (90%, compared to 40% of Lucy), from Member 2, had been dated at 3.67 Ma and this age was indeed surprising. Now everything fits better. All the sediments with hominin fossils in Sterkfontein Member 4 are of this age, not only Little Foot.

• What about the Australopithecus africanus from other sites? Starting with the Taung Child from which the species was defined, or the sites of Swartkrans, Makapansgat and Drimolen Main Quarry (with dates of about 2 Ma) and Drimolen Makondo (about 2.61 Ma). Although we cannot rule out that this species could have extended over a long time, this dating method will have to be applied to other sites. The bad news about Taung in particular is that the original context of that fossil is already altered and lost.

• The hypothesis of the appearance of Paranthropus in southern Africa as a specialized evolution of a group of australopithecines, one million years after their appearance, may gain strength.

• And the Second Species hypothesis in Sterkfontein may gain new momentum. According to it, the morphological variability of Au. africanus could be explained because a second species of Australopithecus with many traits similar to Paranthropus lived in Sterkfontein Member 4 and in Makapansgat. Now, with a million years of evolution in the middle, that species may indeed have been representing a transition to Paranthropus.

• How does Australopithecus sebida fit in this story? Au. sediba is a species defined from the Malapa fossils, a few km from Sterkfontein. The separation between the early Au. africanus and Au. sediba is almost 1.5 million years, which, on the other hand, would explain the mosaic of sediba traits, with some clearly derived from africanus.

• And the «East Side Story»: we all have Lucy in mind (3.2 Ma), the Laetoli footprints (3.6 Ma) and other Australopithecus afarensis remains in that chronology, contemporary with the one we knew for Little Foot in the south, and now with the rest of the Sterkfontein fossils. The relationship between the australopithecines of the south and east (and those of Central Africa, if we include the remains from Chad called Australopithecus bahrelgazali) remains a big open question. But the possible position of Au. africanus as a species originating from Au. afarensis is weakened.

Reference: Granger, D. E. et al. (2022). Cosmogenic nuclide dating of Australopithecus at Sterkfontein, South Africa. PNAS.