RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Paleoambienti continentali pleistocenici ed olocenici: ricostruzioni multidisciplinari integrate

Università di riferimento

Università degli Studi di PARMA - SCIENZE DELLA TERRA - PARMA(PR)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Paola IACUMIN

Descrizione

L'Unità operativa di Parma si propone di studiare le caratteristiche isotopiche dei reperti fossili di età Pleistocenico-Olocenica provenienti da quattro siti selezionati nell'Italia centro-meridionale che presentano successioni stratigrafiche significativamente lunghe e ricche in ossa e denti di vertebrati. Essi sono: sito di Pietrafitta (Umbria, risalente al Pleistocene inferiore), sito di Mercure (Basilicata, risalente al Pleistocene medio), sito di Torre in Pietra (Lazio, riferibile agli stadi isotopici 7-9) e sito di Sesto Fiorentino (Toscana, Olocene inferiore).
Lo scopo principale della ricerca è quello di fornire informazioni di dettaglio sulle condizioni ambientali e climatiche esistenti durante la formazione dei depositi fossiliferi e quindi caratterizzanti l'Italia centrale e centro-meridiomalnei diversi periodi considerati.
Il Laboratorio di Isotopi Stabili del Dipartimento di Scienze della Terra è già dotato di strumentazioni che consentono di misurare la composizione isotopica di sei segnali diversi: d18Of, d18Ocarb, d18Ocol, d13Ccol, d13Ccarb, d15Ncol. Ciò consentirebbe di eseguire il primo lavoro su reperti fossili di mammiferi dell'Italia attraverso il confronto di tutti e sei i diversi tipi di misure realizzate sullo stesso campione. Inoltre si tratterebbe di una delle poche ricostruzioni paleoambientali eseguite con traccianti isotopici su sequenze continentali (esistono molte curve relative alle condizioni paleooceaniche ricavate misurando la composizione isotopica dell'ossigeno e del carbonio di sequenze di microfossili marini ma tali ricostruzioni non sempre si adattano alla situazione continentale).
Questa ricerca permetterà di esaminare così l'evoluzione degli ecosistemi nei siti studiati e di confrontarne i risultati sia con quelli di altre sequenze più recenti sia con quelli ottenuti dalle altre unità operative che, attraverso l'utilizzo di metodologie diverse di indagine, lavoreranno sugli stessi siti.
Tale multidisciplinarietà di indagine potrebbe portare ad identificare una metodologia di ricerca applicabile a qualsiasi sito fossilifero la cui età risalga al Pleistocene o a periodi più recenti.
Per poter applicare con successo la tecnica isotopica alla paleoclimatologia è necessario però che i resti fossili presentino un buono stato di conservazione. Nel caso degli isotopi, infatti, il fattore tempo può giocare un ruolo predominante alterando i valori originari dei reperti considerati.
L'attendibilità del segnale isotopico sarà dunque controllata, per la frazione inorganica, attraverso la misura contemporanea dell'ossigeno nel fosfato e nel carbonato e, per la frazione organica, attraverso l'analisi elementare del carbonio e dell'azoto. In quest'ultimo caso il rapporto fra i due elementi (C/N) deve cadere nell'intervallo definito come "attendibile" e cioè fra 2,6 e 3,2 (Ambrose, 1990).
I campioni più indicati per controllare l'attendibilità dei risultati isotopici sono i reperti fossili recenti che non dovrebbero aver subito processi diagenetici se non in modo limitato. Per questa ragione i primi campioni che verranno analizzati saranno quelli provenienti dal sito di Sesto Fiorentino che serviranno da confronto per gli altri siti più antichi.
Inoltre, le analisi incrociate che si intende effettuare sia sulle ossa che sui denti dei reperti forniranno informazioni tra loro complementari. L'osso infatti pur "registrando" i dati climatici ed ambientali medi degli ultimi dieci anni di vita di un organismo, presenta al contempo un elevato rischio di alterabilità. I denti, dal canto loro, non rinnovandosi nel tempo sono in grado di fissare le condizioni dei primissimi anni di vita dell'individuo, anche se spesso risentono del periodo di allattamento falsando così le informazioni climatiche ed ambientali ottenute. Tali anomalie (effetto allattamento nei denti e alterabilità delle ossa) verrebbero messe subito in evidenza qualora si riscontrassero delle discrepanze nei valori dalle analisi sui due diversi tipi di materiali, i quali statisticamente dovrebbero sempre fornire lo stesso risultato isotopico a meno di
differenze legate a preferenze diverse di habitat fra animali giovani ed adulti.
Per quanto riguarda poi la specie o le specie di mammiferi da studiare verrà data preferenza a quelle per le quali:
a) esiste la scala isotopica d18Of-H2O tarata sui vivi per poter calcolare il valore dell'acqua ambientale,
b) b) sono presenti in tutti i siti selezionati,
c) sono presenti, con una certa abbondanza ed all'interno dello stesso sito, in tutti i livelli della successione stratigrafica.
Questo consentirebbe di eliminare, attraverso un numero statisticamente elevato di dati per ogni livello e per ogni sito, le variabili dipendenti dalla specie.
Attività
Il materiale utile per l'indagine isotopica verrà attentamente selezionato e controllato per il suo stato di preservazione e quindi preparato adeguatamente in laboratorio per la successiva analisi dell'abbondanza isotopica.
Per ogni sito è prevista:
1. l'estrazione chimica del fosfato, del carbonato e del collagene dai campioni scheletrici di mammiferi (ossa e denti);
2. l'analisi della composizione isotopica dell'ossigeno nel fosfato dell'apatite;
3. l'analisi della composizione isotopica dell'ossigeno e del carbonio nel carbonato dell'apatite;
4. l'analisi della composizione isotopica dell'azoto, del carbonio e dell'ossigeno nel collagene dello stesso campione;
5. l'elaborazione dei dati e la costruzione di curve paleoclimatiche relative al periodo considerato.
Considerata la laboriosità del trattamento dei campioni, il numero dei reperti analizzabili nel corso di un biennio si può quantificare dell'ordine dei 200 campioni per la misura dell'ossigeno nei fosfati, 200 campioni per la misura dell'ossigeno e del carbonio nel carbonato, 200 campioni per la misura dell'ossigeno, dell'azoto e del carbonio nel collagene per un totale di circa 1200 analisi.
Metodologia
Per l'analisi della composizione isotopica del fosfato verrà applicata la tecnica di preparazione già utilizzata nei più recenti lavori di questo tipo (Crowson e Showers, 1991; Lécuyer et al., 1993). Tale tecnica prevede un trattamento chimico preliminare dei campioni con l'eliminazione della sostanza organica eventualmente presente, la messa in soluzione del campione in acido fluoridrico, la separazione degli ioni fosfato mediante l'uso di resine scambia ioni ed infine la precipitazione del fosfato come fosfato d'argento. Successivamente il fosfato d'argento viene fatto reagire sotto vuoto ad alta temperatura (600°C) con pentafluoruro di bromo per liberare quantitativamente l'ossigeno che viene poi convertito ad anidride carbonica. Quest'ultima viene infine introdotta per la misura isotopica in uno spettrometro di massa per elementi leggeri.
Per la determinazione della composizione isotopica dell'ossigeno e del carbonio del carbonato strutturale presente nell'apatite delle ossa e dei denti, il campione viene trattato prima con NaOCl e poi con acido acetico per eliminare la sostanza organica ed i carbonati esogeni. Si procede quindi con la reazione sotto vuoto del carbonato di calcio con acido fosforico anidro in condizioni termostatiche (normalmente 25°C per i quali sono perfettamente noti i fattori di frazionamento nella reazione fra carbonato di calcio e acido ortofosforico), la separazione quantitativa dell'anidride carbonica prodotta e la sua misura allo spettrometro di massa.
Nel caso di una buona conservazione del materiale scheletrico si potrà procedere anche con la separazione del collagene. Tale separazione implica un trattamento chimico abbastanza lungo, anche se non particolarmente complesso, che prevede la demineralizzazione e l'eliminazione degli acidi umici (Longin, 1971; Bocherens et al., 1991) per ottenere il campione finale. Questo viene analizzato mediante un analizzatore elementare (CHN) per l'abbondanza isotopica del carbonio e dell'azoto e tramite un decompositore termico per l'abbondanza isotopica dell'ossigeno. Entrambi gli strumenti sono collegati ad uno spettrometro di massa a flusso d'elio. Questo tipo di tecnologia consente la determinazione dei rapporti isotopici del carbonio, dell'azoto e dell'ossigeno anche nel caso di campioni di dimensioni estremamente ridotte, fino a circa un decimo di milligrammo.
Obiettivi e risultati attesi
Il progetto si propone di raggiungere i seguenti obiettivi generali:
1. caratterizzare dal punto di vista isotopico (O, C, N) i reperti fossili di mammiferi dell'Italia centro-meridionale;
2. identificare le differenze isotopiche fra le diverse aree di provenienza dei campioni;
3. ottenere informazioni sulle condizioni paleoclimatiche e paleoambientali dei siti analizzati ,
4. ottenere informazioni sulla fisiologia e sulla paleoecologia dei mammiferi analizzati;
La possibilità di avere a disposizione molti reperti fossili, campionati in diverse sequenze sedimentarie ben datate, permette di caratterizzare isotopicamente, sia in senso temporale che geografico, le aree in esame durante il Pleistocene e l'Olocene inferiore. Come accennato al punto precedente il fatto di misurare più segnali isotopici sullo stesso campione, dovrebbe consentire ricostruzioni paleoambientali e paleoclimatiche di dettaglio. Tramite l'analisi dell'ossigeno si potrà, infatti, costruire una curva temporale relativa ai valori isotopici delle precipitazioni nell'arco di tempo preso in considerazione e successivamente ricostruire le variazioni della temperatura media annua nei diversi siti. Tramite l'analisi del carbonio e dell'azoto sarà possibile ottenere indicazioni sulle preferenze alimentari degli erbivori studiati che, indirettamente, permetteranno di ricostruire il tipo di copertura vegetale e le condizioni di umidità delle aree di provenienza. Infine, misurando l'ossigeno sia nella frazione inorganica che organica dello stesso frammento scheletrico si potranno ottenere informazioni sul frazionamento dell'ossigeno collagene-acqua. Questa informazione assume una notevole importanza perché rientra in un campo ancora non ben definito ed in fase di sperimentazione. Conoscendo tale frazionamento sarà possibile utilizzare la frazione organica per ricostruire le paleotemperature.
Il confronto dei risultati ottenuti dalle diverse Unità Operative con metodologie diverse potrà fornire un ventaglio di informazioni il più completo possibile sul clima, sulla flora e sulla fauna nei siti studiati. Inoltre, risultato non meno importante che si intende raggiungere, è definire un nuovo e valido approccio metodologico da applicare, in generale, ad un qualsiasi studio su depositi fossiliferi in ambiente continentale.