RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Accelerazioni evolutive nel plankton calcareo e loro relazione con i cambiamenti globali durante il Mesozoico ed il Cenozoico. I cambiamenti globali ne sono responsabili?

Università di riferimento

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

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giuliana Villa

Descrizione

DESCRIZIONE
Momenti chiave della evoluzione climatica del nostro pianeta hanno influenzato le variazioni del biota. Nell’ambito del plancton calcareo in corrispondenza dei maggiori eventi climatici si sono registrate variazioni delle associazioni, ma raramente, a riscontro di un forte cambiamento climatico è stata registrata una risposta evolutiva rappresentata da numerose speciazioni e/o estinzioni.

In questo progetto esamineremo diversi momenti di particolare interesse per il Paleogene, tra cui:
Eocene medio, Eocene superiore, Eocene/Oligocene, Oligocene, che rappresentano momenti decisivi nei cambiamenti climatici e nella riorganizzazione delle correnti oceaniche.

Come espresso da numerosi studi precedenti (Wei e Wise,1989, 1990, Wei et al., 1992, Bralower, 2003, Persico e Villa, 2004) i nannofossili calcarei si sono dimostrati utili indicatori paleoclimatici, oltre che indispensabili strumenti biostratigrafici.

L’ Eocene medio registra a circa 40 Ma l’ultimo evento caldo prima di un lungo trend di raffreddamento; qui i nannofossili modificano i componenti dell’associazione e il genere Chiasmolithus mostra una evoluzione di nuove specie, per poi ridurre drasticamente la diversità specifica.
L’ Eocene superiore registra fluttuazioni dell’associazione mostrando momenti più temperati all’interno del trend di raffreddamento.
L’intervallo E/O, corrispondente alla massima espansione della calotta antartica, è un momento in cui abbiamo registrato un grande variazione nelle abbondanze relative delle specie che compongono l’associazione a nannofossili calcarei, ma che non registra eclatanti episodi di estinzione.

Negli intervalli sopra indicati, si vuole esaminare l’evoluzione e la variazione vissute da questo gruppo di plankton calcareo, confrontando i risultati ottenuti in ambiente subpolare delle alte latitudini dell’Oceano Meridionale, esaminato nei Site ODP 689,690, 738, 744, 748, oggetto di precedenti progetti, con un ambiente che sia meno influenzato dallo sviluppo e/o dagli avanzamenti della calotta polare antartica.

A questo scopo si è individuato il Site ODP 1090, che rappresenta un ottimo record stratigrafico; l’intervallo esaminato va dall’Eocene medio all’Oligocene superiore.
Il Site 1090 può essere considerato una sezione di mare profondo di riferimento per le correlazioni biomagnetostratigrafiche e per ricostruire la storia paleoceanografica dell'Oceano Meridionale dall’Eocene medio al Miocene inferiore.
Questo periodo di tempo è stato contrassegnato da una variazione da clima caldo ("hothouse") ad un clima freddo ("icehouse"), nonché dall’accrescimento di ghiaccio continentale in Antartide e da importanti cambiamenti paleogeografici nell'Oceano Meridionale.

Lo studio dei nannofossili del Site 1090 contribuirà a decifrare i processi collegati all'isolamento termico dell'Antartide dalle correnti subtropicali calde e aiuterà ad individuare con più precisione le modalità e i tempi di sviluppo della calotta antartica.
Il Site 1090 è situato nella parte centrale della fascia subantarctica sul fianco meridionale dell’ Agulhas Ridge. La profondità è di 3702 m e di conseguenza si colloca sopra la CCD e in vicinanza del contatto tra la corrente NADW e la sottostante CDW, attraversando così le principali masse d’acqua dell'Atlantico del sud.
Uno hiatus pronunciato è stato riconosciuto a ~70 mcd, contrassegnato da un cambiamento litologico che separa il Pliocene da 330 m. di sedimenti costituti da fanghi a nannofossili e diatomee di età che va dal Miocene inferiore all’Eocene medio, questi ultimi, ricchi in carbonato, si sono deposti a tassi di sedimentazione più bassi rispetto ai successivi.
Per questo motivo possono rappresentare una buona opportunità per valutare l’evoluzione dei nannofossili calcarei nell’intervallo corrispondente al MECO (40 Ma) e confrontarlo con i risultato del Site 748 del Kerguelen Plateau.
I sedimenti dell’ Eocene superiore includono intervalli laminati a diatomee che si intendono esaminare in dettaglio per valutare le abbondanze e le variazioni delle Diatomee per questo intervallo di tempo che precede l’evento Oi-1.
L’Eocene Superiore è già stato evidenziato da diversi lavori come fase transitoria che passa da una fase più calda (MECO 40 Ma) al brusco raffreddamento dell’Oligocene basale (33.5), in particolare da 37 a 35 Ma, almeno 2 fasi di raffreddamento sono state individuate nel Southern Ocean tramite i nannofossili. Nel Site 1090 oggetto di studio, si potrebbe raggiungere il dettaglio non ancora ottenuto in altri sites, grazie alla presenza di variazioni litologiche cicliche che potrebbero essere correlate alle variazioni astronomiche e grazie all’integrazione con i dai ottenuti dallo studio delle associazioni a Diatomee.
Quindi una campionatura di dettaglio mirata al recupero delle laminiti a diatomee sarà intrapresa per confrontare i due gruppi di fitoplancton e valutare se le variazioni del fitoplancton siliceo e calcareo siano legate o meno alle variazioni dell’ambiente.

Un ulteriore indagine di sedimenti di ambiente antartico verrà effettuata sui sedimenti dell’Eocene medio del Site 702 ubicato sul Rialzo delle Isole Orchadas (Islas Orchadas Rise) (Oceano Atlantico) a latitudine di ca 50°56’S. I sedimenti dell’eocene medio, analizzati in dettaglio ad alta risoluzione, saranno utili per un controllo biostratigrafico e paleoecologico. A tal fine si vuole verificare e confrontare con il Site 748 di maggior latitudine, la durata della biozona Discoaster saipanensis nell’oceano meridionale, della comparsa di Reticulofenestra bisecta.
Per quanto riguarda la paleoecologia si vuole controllare la composizione dell’associazione a 40 Ma, in corrispondenza del Chron C18 n, confrontarlo con la curva degli isotopi dell’Ossigeno che in questo intervallo mostra una diminuzione dei valori indicando la possibilità di un riscaldamento riconducibile al MECO. Dati sugli isoptopi dell’ossigeno sul Site 702 (S. Bohaty, pers. com.) sono disponibili per il confronto con i risultati dei nannofossili per l’Eocene medio.

SVOLGIMENTO E METODOLOGIA
Si intende applicare un’analisi quantitativa ad alta risoluzione delle associazioni a nannofossili calcarei, come già effettuato su sedimenti delle alte latitudini meridionali (Sites 689, 690, 744, 748), che ha permesso il riconoscimento di numerosi eventi biostratigrafici.

L’individuazione degli eventi biostratigrafici noti dalla letteratura, con l’aggiunta di quelli addizionali evidenziati dallo studio precedente è indispensabile per creare un framework temporale in cui collocare gli eventi ambientali.

Inoltre si rivela utile anche per valutare quando la comparsa o la scomparsa delle specie avviene in corrispondenza di particolari mutamenti climatici.
Allo stesso modo variazione climatiche, registrate ad esempio da forti shift degli isotopi dell’Ossigeno, non sembrano aver dato origine a mutamenti nella composizione delle associazioni.

Un notevole vantaggio può derivare dall’analisi delle variazioni morfologiche avvenute all’interno dei singoli generi. Il genere Chiasmolithus, ad esempio è stato oggetto di dettagliato studio biometrico che evidenzia l’evoluzione del genere in funzione delle condizioni ecologiche (Persico e Villa, 2007).
L’approccio utilizzato per l’analisi micropaleontologica prevede che le specie individuate siano raggruppate in gruppi paleoecologici in base al tipo di preferenza dimostrata nei confronti della temperatura superficiale delle acque e/o alla disponibilità di nutrienti.

Si ricava in seguito un indice che rappresenta la variazione, nel tempo, delle abbondanze dei gruppi paleoecologici.
Dall’interpretazione delle curve così ottenute si cerca quindi di ottenere degli indizi di tipo paleoceanografico.

A tal fine lo studio di più successioni sedimentarie provenienti da diverse latitudini fornisce un quadro più completo dell’evoluzione climatica.

Il metodo di studio utilizzato negli ultimi anni (Persico e Villa, 2004; Villa e Persico, 2005) si basa su analisi quantitative su campioni prelevati ad alta risoluzione.

L’analisi delle associazioni a Diatomee verrà intrapreso seguendo l’approccio già applicato in letteratura (Schrader & Gersonde, 1978). Ogni campione sarà esaminato sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo, a 400x, 100x e 2000x, utilizzando un microscopio polarizzatore.

La procedura di conteggio prevede l’analisi di una serie di transetti per ogni vetrino preparato, opportunamente selezionati in funzione dell’abbondanza dell’associazione.

L’analisi della composizione specifica delle associazioni prevede il conteggio di almeno 400-500 individui per ogni vetrino preparato identificando i singoli esemplari a livello specifico. La ricerca si articola in due principali fasi di lavoro:
1. Analisi micropaleontologiche ad alta risoluzione sulle associazioni a diatomee (calcolo della concentrazione totale degli esemplari presenti nell’associazione); Analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) attraverso l’acquisizione di micrografie e misurazioni micrometriche, al fine di fornire una migliore interpretazione sulla microstruttura e sull’orientazione di intervalli sedimentari laminati;
2. Interpretazione paleoecologica e paleo ambientale dell’area analizzata, utilizzando, dove possibile, un approccio statistico.

Inoltre indispensabile sarà la correlazione e il confronto dei risultati con le analisi sugli isotopi stabili dell'O e del C degli stessi sites in corso di studio, la collaborazione con Ph.D. Steven Bohaty della University of Southampton, già in corso da anni, permetterà di elaborare una ricostruzione paleoambientale inserita in un preciso schema temporale.
Quest’ultimo viene ricostruito grazie alla magnetostratigrafia disponibile che, negli ultimi anni, grazie all’integrazione con la ciclostratigrafia orbitale si sta dimostrando uno strumento indispensabile per la collocazione temporale delle successioni sedimentarie (Hilgen, 1991; Palike et al., 2006).

Si intende anche affrontare lo studio del magnetismo ambientale per individuare eventuali variazioni della concentrazione, granulometria e mineralogia dei minerali magnetici nella successione sedimentaria che si ritiene siano da attribuire a variazioni paleoambientali (Sagnotti et al., 1998). Il magnetismo ambientale può dare un importante contributo alla ricostruzione della storia paleoclimatica e paleoambientale in quanto fornisce una risposta diretta alle variazioni climatiche che regolano gli afflussi di minerali nei bacini sedimentari. In sintesi, le interpretazione delle analisi del magnetismo ambientale, forniranno un efficace supporto alle interpretazioni paleoecologiche delle associazioni a nannofossili calcarei e diatomee

Ulteriore obiettivo della presente unità di ricerca sarà quello di integrarsi con le altre unità operative coinvolte nel progetto nazionale, sia per la taratura dei bioeventi che per il confronto dei tassi evolutivi a diverse latitudini e in ambienti con caratteristiche paleoceanografiche ben distinte.

In sintesi, lo svolgimento del progetto è previsto nell’ esecuzione di successivi stadi.
- Raccolta del materiale di provenienza da Sites ODP da bacini antartici e subantartici, tramite campionature ad alta risoluzione.
- Analisi quantitative delle associazioni a nannofossili calcarei, raccolta dei dati tramite software, elaborazione dei dati raccolti mediante analisi statistiche (PCA e Cluster analisi).
- Analisi quantitative delle associazioni a diatomee, elaborazione dei dati raccolti mediante analisi statistiche.
- Correlazione e confronto dei 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, permetteranno di costruire un indispensabile framework temporale e paleoambientale in cui collocano gli obiettivi di questo programma, cioè di verificare se le variazioni evolutive possono avere un vincolo di causa-effetto con le variazioni ambientali.