RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Evoluzione Biologica e Cambiamenti Globali: storia evolutiva degli ecosistemi pelagici in alcuni intervalli del Tardo Mesozoico-Cenozoico Inferiore registrata nei sedimenti dell' Ocean Drilling Program (ODP) e affioranti a terra

Università di riferimento

Università degli Studi di FIRENZE - SCIENZE DELLA TERRA - FIRENZE(FI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Simonetta MONECHI

Descrizione

L'Unità Operativa di Firenze si propone di caratterizzare le fasi evolutive del plancton calcareo in corrispondenza della transizione Paleocene inferiore-Paleocene superiore e nell'intervallo che comprende il Paleocene superiore e l'Eocene superiore. Il primo di questi intervalli è caratterizzato da importanti turnover nei foraminiferi planctonici con la comparsa di Morozovella e Acarinina e nei nannofossili calcarei con la comparsa degli sfenoliti, Fasciculithus e, successivamente, di Discoaster. Il secondo intervallo d'interesse è punteggiato da una serie di eventi di rapida fluttuazione climatica (PETM, ELMO Event, X-Event) la cui influenza sull'evoluzione del plancton calcareo paleogenico è ancora largamente da esplorare.

La ricerca si svilupperà in due fasi:

1. stratigrafia integrata (biostratigrafia, magnetostratigrafia e chemostratigrafia) in successioni sedimentarie tropicali e sub-tropicali caratterizzate da continuità deposizionale, alta velocità di sedimentazione e buona preservazione delle associazioni microfaunistiche e microfloristiche (durata: 6 mesi);
2. analisi morfometriche quantitative nelle associazioni a plancton calcareo attraverso la transizione Paleocene inferiore-superiore e gli intervalli stratigrafici corrispondenti alle fasi ipertermiche del Paleocene superiore-Eocene inferiore (durata: 18 mesi).

1. Inquadramento stratigrafico dell'intervallo Paleocene-Eocene e identificazione degli eventi ipertermici dell’Eocene inferiore.

In questa fase saranno condotte revisioni biostratigrafiche (nannofossili calcarei e foraminiferi planctonici) magnetostratigrafiche e chemostratigrafiche nelle seguenti sezioni di terra e pozzi ODP:

- Contessa (Italia centrale) per la transizione Paleocene superiore-Eocene inferiore
- Possagno (Italia settentrionale)in collaborazione con l'UO di Padova per la l'Eceone inferiore
- Agost, Caravaca, Alamedilla (Spagna sud-orientale), per l'intervallo Paleocene inferiore-superiore e la transizione Paleocene superiore-Eocene inferiore
- Zumaia (Spagna settentrionale) per l'intervallo Paleocene inferiore-superiore
- Elles (Tunisia) per l'intervallo Paleocene inferiore-superiore; in collaborazione con l'UO di Milano
- LEG 208, Pozzo ODP 1267 (Walvis Ridge)per l'intervallo Paleocene inferiore-superiore; in collaborazione con l'UO di Milano
- LEG 208, Pozzi ODP 1262, 1263, 1265, 1267 (Walvis Ridge) per l'X-Event
- LEG 208, Pozzo ODP 1266 (Walvis Ridge) per l'ELMO Event
- LEG 198 - ODP Sites 1209 1210 2111 (Shatsky Rise) per l'intervallo Paleocene inferiore-superiore; in collaborazione con l'UO di Milano.

Per quasi tutte queste sezioni (tutti i pozzi ODP, e la sezioni di terra della Contessa e le sezioni spagnole) è già disponibile un inquadramento biomagnetostratigrafico e/o ciclostratigrafico.
Questa fase della ricerca, dunque, è soprattutto finalizzata ad identificare, nelle sezioni elencate, gli eventi ipertermici recentemente riconosciuti con il Leg ODP 208, l’X-Event e l’ELMO-Event.. Su questi intervalli saranno condotte analisi micropaleontologiche quantitative sul plancton calcareo al fine di ricavare un quadro di evoluzione paleoambientale e paleoceanografica. La validità dei traccianti geochimici quali indicatori della storia evolutiva delle masse d'acqua superficiali in contesti tropicali è stata recentemente messa in discussione (Pearson et al., 2001, 2002 e Zachos et al., 2002). La produzione di nuovi dati ad alta risoluzione sulle fluttuazioni di abbondanza nel plancton calcareo è quindi un importante strumento per la ricostruzione delle variazioni paleoceanografiche e paleoclimatiche attraverso intervalli critici come gli eventi ipertermi dell’Eceone inferiore.
I dati ottenuti con l'analisi quantitativa del plancton calcareo saranno integrati con nuovi dati ricavati dall'analisi quantitativa delle associazioni a dinoflagellate in grado di fornire importanti informazioni supplementari sull'evoluzione paleoceanografica, le variazioni di paleotemperatura e paleosalinità (Sluijs et al., 2005). Questa fase della ricerca verrà svolta in collaborazione con l'Università di Utrecht.
Saranno inoltre condotte analisi quantitative sulle associazioni a foraminiferi bentonici che potranno fornire un'ulteriore chiave interpretativa per ottenere un quadro esaustivo delle variazioni oceanografiche nell'intera colonna d'acqua.
Accanto ai dati relativi alla componente biotica, saranno ottenuti, in collaborazione con l'Istituto CNR-IAMC di Napoli, dati geochimici (isotopi stabili ed elementi in tracce).


2. Analisi morfometriche quantitative nelle associazioni a plancton calcareo

Le informazioni ottenute sull'evoluzione dei parametri abiotici (e.g. livello trofico, temperatura, circolazione oceanica) costituiranno la base per questa fase del progetto mirata, attraverso l'analisi morfometrica e geochimica di dettaglio effettuata su singole specie a stabilire il peso relativo dei parametri biotici e abiotici quali fattori di controllo dei meccanismi evolutivi nel plancton calcareo.

L'analisi morfometrica verrà effettuata su sezioni e intervalli selezionati in base ai seguenti criteri verificabili durante la prima fase:

1. velocità del turnover evolutivo nel plancton calcareo
2. completezza del record stratigrafico nelle sezioni studiate
3. grado di preservazione del record geochimico e micropaleontologico

Nannofossili calcarei

La storia evolutiva del nannoplancton calcareo è stata descritta in termini di cambiamento nella diversità specifica (Bown et al. 2004). Recentemente, nuovi approcci sono stati utilizzati per spiegare i modi e la velocità di evoluzione di questo gruppo. In particolare, studi sulle dimensioni e sulla morfostruttura dei coccoliti (Aubry 1998, 2004) mostrano come ben definiti patterns di diversità possono essere riconosciuti nel tempo. Le innovazioni strutturali del Paleogene rappresentano un adattamento alla struttura delle masse d'acque superficiali e dipendono dalla combinazione di vari fattori (Aubry, 1998). Due sono i gruppi che hanno dominato questo intervallo: i placoliti ed i discoaster. Le variazioni morfologiche nei placoliti e nei discoaster nel tempo hanno prodotto numerose specie differenti. Dopo l'estinzione del limite K/T, il trend evolutivo nei nannofossili calcarei è riconducibile ad un aumento di taglia con dimensioni massime raggiunte in corrispondenza dell'Eocene superiore e ad importanti variazioni nei tassi di biomineralizzazione con notevoli fluttuazioni della quantità di carbonato di calcio utilizzata (Aubry, 1998).
L'analisi morfometrica e, in particolare, lo studio delle variazioni di taglia e di spessore nei nannofossili calcarei paloegenici è, dunque, un importante strumento per monitorare i trend evolutivi all'interno di questo gruppo. Lo studio di questi parametri attraverso la transizione Paleocene medio-superiore e le ripetute fasi ipertermiche dell'intervallo Paleocene superiore-Eocene inferiore potranno fornire informazioni sui fattori di controllo nell'evoluzione di questo gruppo.
In particolare, lo studio delle fasi ipertermiche consentirà di testare le relazioni tra le importanti fluttuazioni di pCO2 che si verificarono in questo intervallo ed i meccanismi di calcificazione in questo gruppo, inducendo modicazioni morfometriche in modo analogo a quanto avviene in alcune specie recenti (Riebesell et al., 2000; Riebesell, 2004).


Foraminiferi planctonici

La ripetitività nelle radiazioni evolutive dei foraminiferi planctonici è un processo macroevolutivo ben documentato. Tre successivi intervalli di diversificazione morfologica sono osservati dal Cretaceo inferiore: il primo nel Cretaceo superiore, il secondo nel Paleogene, il terzo nel Neogene (Cifelli, 1969; Norris, 1996). All'inizio del Paleogene le associazioni a foraminiferi planctonici sono dominate da specie globigeriniformi e di dimensioni ridotte (e.g. Luterbacher & Premoli Silva, 1964). L'incremento della taglia e lo sviluppo di carene sono osservabili anche nell'intervallo successivo all'estinzione del limite K/T.
Le variazioni intraspecifiche di taglia nei foraminiferi planctonici sono controllate da numerosi fattori ambientali legati alle proprietà chimico-fisiche delle acque superficiali quali, temperatura, salinità disponibilità di nutrienti e ossigeno (e.g. Berger, 1969; Bé & Tolderlund, 1971; Caron et al., 1982, 1987; Bijma et al., 1992; Schiebel et al., 2001). Il confronto con il record di traccianti paleoceanografici e paleoclimatici indipendenti, ottenuto durante la prima fase del progetto, sarà quindi necessario per ricavare informazioni sulle variazioni di questi parametri e sull'eventuale peso di ciascuno di essi quale fattore di controllo nell'evoluzione dei foraminiferi planctonici attraverso gli intervalli d'interesse.
Recenti studi sulle associazioni a foraminiferi planctonici del Cenozoico, Schmidt et al. (2003, 2004a, b, c) hanno rivelato una discreta correlazione tra le variazioni di taglia e le fluttuazioni di temperatura. Tuttavia, sebbene ampie variazioni di temperatura siano particolarmente rilevanti solo alle alte latitudini in questo intervallo (e.g. Crowley and Zachos, 2000), le considerevoli variazioni di taglia nelle associazioni a foraminiferi planctonici si registrano solo alle basse latitudini. Una simile discrepanza sembra riflettere lo sviluppo di una maggior diversificazione delle nicchie ecologiche per stratificazione delle masse d'acque superficiali in contesti tropicali. Questo processo è stato, infatti, proposto per spiegare la diversificazione dei foraminiferi planctonici (Lipps, 1970; Douglas and Savin, 1978; Vincent and Berger, 1981) ed è esemplificato dallo sviluppo di morfologie differenti tipiche di diversi habitat nella colonna d'acqua (Caron and Homewood, 1983, Boersma & Premoli Silva, 1991).
Un'interpretazione alternativa del record riportato da Schmidt et al. (2004b, c) per il Paleogene, qui proposta come ipotesi da testare attraverso l'analisi delle variazioni di taglia in singole specie attraverso intervalli caratterizzati da rapide fluttuazioni climatiche, è che le ampie variazioni nel contenuto di CO2 verificatesi a breve e lungo termine nel Paleogene possano aver in parte controllato le fluttuazioni di taglia nelle singole specie, controllando la biocalcificazione nel plancton marino. La possibilità che accresciuti livelli di CO2 possano controllare la produttività globale dei produttori di carbonato di calcio è stata recentemente messa in evidenza nei foraminiferi planctonici (Spero et al., 1997; Bijma et al., 1999; Barker & Elderfield, 2002).
Le notevoli variazioni di taglia osservate nelle associazioni a foraminiferi planctonici del Paleogene (Schmidt et al., 2004b, c) sono dunque un interessante aspetto da approfondire prendendo in considerazione il record di singole specie. Nei foraminiferi planctonici, infatti, è evidente la stretta relazione tra l'origine evolutiva di nuovi gruppi e processi di eterocronia, in particolare di pedomorfosi (Kelly et al., 1996; Kelly et al., 2001) riconducibili anche a variazioni di taglia nelle popolazioni. Lo studio sistematico delle variazioni morfometriche nei foraminiferi planctonici attraverso gli intervalli critici di variazione paleoclimatica e paleoceanografica del Paleogene dovrebbe quindi contribuire a migliorare il quadro delle conoscenze sui meccanismi evolutivi di questo gruppo.

Sul materiale più idoneo, saranno inoltre condotte analisi isotopiche (C e O) su singole specie e frazioni granulometriche diverse al fine di ottenere ulteriori informazioni paleoecologiche. Il record isotopico è in grado di fornire importanti indicazioni relative alla stratificazione delle nicchie ecologiche (e.g. Emiliani, 1954; ) o alla presenza di fotosimbionti (Norris, 1996). Inoltre, i valori isotopici nelle singole specie riflettono le dimensioni del guscio (Berger et al. 1978; D'Hondt & Zachos, 1993; Kelly et al., 1996) e il grado di saturazione dei carbonati (Spero et al., 1997) e saranno utilizati quale base di confronto con i dati ricavati attraverso l'analisi morfometrica.

Le fasi della ricerca saranno organizzate nel seguente modo:

1° anno

- Inquadramento stratigrafico dell'intervallo Paleocene-Eocene e identificazione degli eventi ipertermici dell'Eocene inferiore.
- Analisi quantitative e morfometriche del plancton calcareo.

2° anno

- Completamento delle analisi quantitative e morfometriche del plancton calcareo.
- Elaborazione dati, sintesi e pubblicazione