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 PARMA - SCIENZE DELLA TERRA - PARMA(PR)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giuliana VILLA

Descrizione

Obiettivi
Il programma dell'Unità di Ricerca si propone di ottenere, per specifici intervalli del Cenozoico, una caratterizzazione delle variazioni evolutive e dei tassi di evoluzione delle associazioni a nannofossili calcarei, in successioni profonde dell'Oceano Meridionale e dell'Oceano Atlantico meridionale. L'evoluzione del nannoplancton calcareo dal Mesozoico al Cenozoico è caratterizzata da un aumento della diversità specifica, che culmina nell'Eocene inferiore, mentre verso i 30 Ma, registra un declino che persiste per tutto l'Oligocene, per poi riprendere nel Miocene prima della graduale riduzione del Pliocene – Quaternario.
Nelle successioni dell'Oceano Meridionale è evidente un generale cambiamento delle associazioni in corrispondenza dell'evento Oi-1 di Miller (1991). Per questo motivo nel presente progetto ci si vuole focalizzare sull'Oligocene, periodo caratterizzato da bassa diversità specifica, per cercare di verificare i presunti link tra bassa radiazione evolutiva e diversi fattori ambientali quali alti contenuti in CO2 atmosferica, elevati quantitativi di nutrienti (inversamente proporzionali alla produttività degli organismi oligotrofici quali i coccolitoforidi, Brand, 1994), le cadute del livello del mare ed, infine, i ridotti tassi di spreading oceanico.
La presenza e le variazioni in abbondanza dei nannofossili calcarei in sedimenti provenienti dalle perforazioni DSDP e ODP recuperate in queste aree, costituiscono un'importante opportunità per indagare su questi obiettivi.

Metodi
I campioni per micropaleontologia saranno preparati con il metodo di decantazione (settling tecnique, De Kaenel & Villa, 1996). L'abbondanza delle specie in ogni campione verrà valutata tramite analisi quantitativa, utilizzando uno Zeiss Axioskop II a 1250 ingrandimenti a luce polarizzata e contrasto di fase. Il software BugWare (BugWare, inc.), permetterà di convertire il numero di specie contate in ogni campione, in numero di esemplari per mm2. Circa due traverse di vetrino verranno comunque osservate, oltre al conteggio fissato, per poter osservare i taxa rari esclusi dal conteggio iniziale. Dal database ottenuto si otterranno le curve di abbondanza rappresentate graficamente sia in percentuale che come numero di esemplari/mm2.
Sullo stesso database verranno effettuate analisi statistiche non parametriche come la Principal Component Analysis e la Cluster Analysis. Come emerso dallo studio condotto da Wei e Wise (1989) sui Site ODP a differenti latitudini, e da Persico e Villa (2004) in successioni del Maud Rise e Kerguelen Plateau, l'associazione a nannofossili è suddivisibile in diversi gruppi di specie la cui abbondanza è legata in modo più evidente alla SST e ai nutrienti.
Nell'ambito di questo progetto, l'impiego integrato di analisi quantitative e di analisi statistiche permetterà di determinare nell'associazione micropaleontologica gruppi di taxa che più di altri manifestano un comportamento legato ad uno o più fattori ambientali. Scopo del lavoro sarà quello di ricercare analogie paleoecologiche e riscontri evolutivi come le variazioni di distribuzione geografica, le variazioni morfologiche ed eventi di comparsa e scomparsa.
Importante risulterà, visto l'intervallo di tempo considerato, valutare se eventuali repentine comparse di nuove specie, siano da imputare ad improvvisi eventi di speciazione, avvalorando le attuali teorie cladistiche, o se semplicemente le nuove comparse possono essere interpretate come migrazioni di specie originatesi in luoghi differenti da quelli oggetto di studio, ma che, in relazione a nuove condizioni climatiche, si sono diffuse anche fino a latitudini più estreme. Quest'ultimo processo, se comprovato, avvalorerebbe maggiormente le teorie del Gradualismo filetico e della continuità del processo evolutivo.
Con la cluster analysis si determineranno dendrogrammi di "parentela" tra i taxa riscontrati, che accostati ai risultati della PCA permetteranno di classificare l'associazione micropaleontologica a nannofossili calcarei in chiave paleoecologica, cioè raggruppando i taxa secondo criteri utili per ottenere riscontri paleoclimatici, paleoceanografici ed evolutivi.
Lo studio integrato dei dati quantitativi ad alta risoluzione rispetto al tempo, con le analisi statistiche sopra elencate, produrrà risultati paleoclimatici che integrati ad analisi su distribuzione areale di alcune specie, variazioni morfologiche ed eventi di comparsa ed estinzione, permetteranno di analizzare i nannofossili calcarei in un contesto più completo.
Si pianifica di campionare u-channels dalle carote dei pozzi da studiare, i campioni saranno analizzati all'interno di una camera schermata magneticamente, nel laboratorio di paleomagnetismo dell'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) di Roma, usando un magnetometro criogenico automatizzato (2-G Enterprises modello 750R a sensori DC SQUID). Lo strumento è configurato con una serie di strumentazione accessoria "in linea", che permette l'acquisizione e la misura di (1) magnetizzazione anisteretiche rimanenti (ARM), di (2) magnetizzazioni isoterme rimanenti (IRM) ed infine, (3) la misura in-line della sucettività magnetica di volume (k). L'analisi delle magnetizzazioni artificiali e rimanenti saranno effettuate ad intervalli di 1 cm con una risoluzione (funzione delle "pick-up coils") di 4 cm.
Gli u-channels utilizzati nel laboratorio dell'INGV di Roma, sono costituiti da canalette in plastica trasparente, lunghe 1,5 m, a sezione quadrata di 2x2 cm, aperte lungo il lato lungo. Gli u-channel sono ermeticamente sigillati per mantenere il sedimento in posto ed evitare la disidratazione dello stesso. Durante la fase di campionatura, al fine di ridurre i disturbi della carota, gli u-channels verranno prelevati lungo la parte centrale della carota. Questo metodologia di campionatura produce minor disturbo nella carota rispetto al convenzionale metodo di campionatura con i cubetti standard (2x2x2 cm), questo perché il rapporto area della superficie/volume è molto inferiore.

Svolgimento
Lo svolgimento del programma dell'Unità di Ricerca contempla distinte fasi analitiche. Innanzitutto, si prevede di eseguire analisi quantitative su campionature ad alta risoluzione di carote prelevate alle alte e medie latitudini meridionali. Particolare interesse verrà rivolto a:

1) Oligocene inferiore: l'evento Oi- 1 (Miller et al., 1991) rappresenta un importante momento della riorganizzazione paleoceanografica globale che vede l'attivazione della Corrente Circumpolare Antartica (CCA).
Questo intervallo è stato affrontato in dettaglio nei Sites 689, 690 , 744, 748 dell'Oceano Meridionale nel precedente Cofin 2003 grazie ai risultati ottenuti (Persico e Villa, 2004; Villa e Persico, 2005) per la prima volta tramite i nannofossili, è stato collocato con precisione il momento in cui le associazioni che preferiscono acque superficiali fredde prendono il sopravvento su quelle a preferenze temperate, questa inversione avviene esattamente a 33.54 Ma sia al Maud Rise che al Kerguelen Plateau, e inoltre questa età coincide con quella estrapolata dalla curva degli isotopi dell' Ossigeno per il Site 744 da Salamy e Zachos (1999).
Da questa base di partenza, si intende intraprendere lo studio di un'ulteriore successione ODP a latitudini meno meridionali che abbia un buon recupero, continuità di sedimentazione e un buon segnale magnetostratigrafico. Abbiamo individuato nell' ODP Site 1090, ubicato sull'Agulhas Ridge, un eccezionale record stratigrafico dall'Eocene superiore al Miocene inferiore a latitudini medie dell'Oceano Atlantico Meridionale. In questa successione si vuole esaminare il legame tra il basso tasso evolutivo, la sostanziale assenza di estinzione di massa e la grande transizione climatica registrata all'evento Oi-1.

2) Oligocene superiore e il limite Oligocene-Miocene: recenti risultati ottenuti dall'esame dei nannofossili calcarei del Site 748 hanno messo in evidenza un aumento di taxa che preferiscono acque calde nella parte terminale dell'Oligocene. Di nuovo, l'ODP Site 1090, rappresenta un buon record in questo intervallo e un buon segnale magnetostratigrafico (Channell et al., 2003). Questo ci permetterà di confrontare le associazioni a nannofossili delle estreme alte latitudini con quelle medie dell' Agulhas Ridge e investigare sulla natura delle estinzioni che caratterizzano questo gruppo di microfossili nel tardo Oligocene-Miocene inferiore alle diverse latitudini.

3) Si intende inoltre estendere lo studio precedente effettuato sul Site 738, localizzato sull'estremità meridionale del Kerguelen Plateau, Oceano Indiano, che ha un ottimo recupero per l'intervallo Eocene medio - Oligocene inferiore. I dati preliminari (Florindo et al., 2005), che si intende approfondire, mostrano un evidente cambiamento dell'associazione a nannofossili nell'Oligocene basale e si intende investigare in dettaglio la sequenza evolutiva dell'associazione. Si vuole quindi ampliare la campionatura, ottenendo u-channels che possono essere analizzati nel laboratorio dell'INGV di Roma, per fornire una dettagliata calibratura dei bioeventi all'interno di un preciso framework magnetostratigrafico.
Inoltre si condurranno studi di magnetismo ambientale per individuare eventuali variazioni della concentrazione, granulometria e mineralogia dei grani magnetici nella successione sedimentaria da attribuirsi a variazioni paleoambientali. Il magnetismo ambientale può dare un importante contributo alla ricostruzione della storia climatica in quanto costituisce una risposta diretta degli intervalli caldi e freddi, che possono essere datati con precisione grazie alla cronologia derivata dalla magnetostratigrafia.
Le analisi magnetostratigrafiche e i conseguenti risultati consentiranno una datazione precisa delle successioni campionate tramite la correlazione delle analisi biostratigrafiche a nannofossili calcarei. In concomitanza, le interpretazione delle analisi del magnetismo ambientale, forniranno un efficace supporto alle interpretazioni paleoecologiche delle associazioni a nannofossili calcarei. In questo indispensabile framework si collocano i finali obiettivi del presente programma, cioè di verificare se le variazioni evolutive possono avere un vincolo di causa-effetto con le variazioni ambientali.
Questi dati potranno essere confrontati con i risultati pubblicati, ottenuti nel precedente progetto Cofin, basati principalmente sulla valutazione delle variazioni climatiche riconosciute mediante le variazioni di abbondanze di singole specie o di gruppi di specie (gruppi paleoecologici).
E' un dato di fatto che ci sia una strettissima interazione tra i cambiamenti ambientali e climatici e la dinamica delle variazioni evolutive dei taxa.
Queste successioni, relativamente agli intervalli di tempo che si prenderanno in esame, sono in parte già in fase di studio presso l'University of Santa Cruz (California) dove verranno esaminati dal punto di vista geochimico (isotopi stabili dell'O e del C) il Site 738. La collaborazione con il Dott. Bohaty, già in atto da alcuni anni, ci ha permesso per esempio di esaminare gli stessi campioni del Site 748 utilizzati per lo studio degli isotopi stabili dell'O2, per l'intervallo relativo ad un pronunciato e rapido evento di riscaldamento a circa 41,5 Ma, definito il Middle Eocene Climatic Optimum (Bohaty & Zachos, 2002). I dati ad alta risoluzione dedotti dall'analisi dei nannofossili calcarei (Villa e Persico, 2004) hanno messo in evidenza un buon responso a questo evento da parte dell'associazione a nannofossili.
Si intende quindi, parallelamente agli studi già compiuti in questo senso, di continuare la collaborazione per ottenere una correlazione dei dati micropaleontologici con le variazioni del delta 18O e delta 13C.
Infine la presente unità di ricerca sarà anche coinvolta nel progetto nazionale nella parte relativa alla taratura dei bioeventi. Si prevede di verificare, in collaborazione con le altre unità, la successione relativa e la cronologia dei biorizzonti a latitudini diverse. Le zonature alle alte latitudini vedono infatti l'applicazione di bioeventi a carattere regionale (e.g. Wei & Thierstein, 1992), non facilmente correlabili con le cosiddette zonature standard e i loro successivi perfezionamenti alle medie e basse latitudini. Con l'acquisizione di dati ad alta risoluzione alle diverse latitudini, si potrebbe pervenire ad un raffinamento delle esistenti suddivisioni biozonali.
In sintesi, lo svolgimento del progetto è previsto nella esecuzione di successivi stadi.
- Raccolta del materiale da carote di provenienza da bacini Antartici DSDP-ODP e/o da u-channel campionati per le analisi paleomagnetiche, sub-campionando ad alta risoluzione (ogni 10-20 cm)
- Analisi quantitative micropaleontologiche, raccolta dei dati tramite software, elaborazione dei dati raccolti mediante analisi statistiche (PCA e Cluster analisi).
- Elaborazione dati ottenuti dallo studio del magnetismo ambientale e della magnetostratigrafia.
- Correlazione e confronto dei risultati con i dati provenienti da analisi sugli isotopi stabili dell'O e del C.
L'integrazione dei dati micropaleontologici ad alta risoluzione con i dati isotopici relativi a microrganismi planctonici e bentonici, con lo studio del magnetismo ambientale e la magnetostratigrafia, risulta promettente al fine di ricostruire un record paleoevolutivo, paleoclimatico e paleoceanografico sempre più completo.