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 "G. d'Annunzio" CHIETI-PESCARA - GEOTECNOLOGIE PER L'AMBIENTE ED IL TERRITORIO - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Isabella Raffi

Descrizione

Il progetto di ricerca dell’Unità di Chieti è incentrato sullo studio di alcuni eventi dell’evoluzione dei nannofossili calcarei nell’ambito dell’intervallo Paleocene medio-superiore (da circa 61 Ma a circa 55 Ma).
L’osservazione che la storia evolutiva dei nannofossili nel Paleogene inferiore sembra essere, in alcuni casi, in relazione con significativi cambiamenti delle condizioni ambientali, ma non esserlo in altri momenti (Agnini et al. 2007), suggerisce di documentare gli episodi evolutivi riscontrati (eventi di radiazione) con particolare dettaglio. Infatti, l’acquisizione dei dati con una maggiore risoluzione temporale e con un approccio quantitativo (descrizione quantitativa delle associazioni, quantificazione precisa della diversità tassonomica) permette il confronto dei dati ottenuti con le variazioni dei parametri ambientali, e rende tale confronto più significativo soprattutto nell’ipotesi che l’ evoluzione sui nannofossili sia in relazione ad episodi climatici molto brevi e intensi. Inoltre, l’approccio quantitativo e in analisi in alta risoluzione temporale è l’unica strategia utile per indagare sui meccanismi che controllano l’evoluzione.
I dati riguardanti episodi di comparsa evolutiva di taxa di nannofossili (generi e specie) rilevati nel Paleocene (Agnini et al. 2007) hanno evidenziato che tali episodi di radiazione sono articolati nel tempo, susseguendosi ripetutamente nell’arco di 8 milioni d’anni, ma si concentrano in particolari momenti. Inquadrati in una prospettiva temporale, gli eventi di speciazione sembrano avvenire improvvisamente, in tempi molto brevi, “istantaneamente” dal punto di vista geologico. Nel presente progetto ci si prefigge di valutare in dettaglio la scansione temporale di questi passaggi evolutivi, in analogia con quanto rilevato, ad esempio, nel Miocene superiore (Raffi et al. 1998) in cui eventi di speciazione di taxa di nannofossili sono avvenuti in intervalli di tempo valutabili in poche decine di migliaia d’anni.
Questa strategia è necessaria, in particolare, per gli intervalli-tempo presi in considerazione nel presente programma ricerca, corrispondenti a due eventi climatici estremi: il mid-Paleocene biotic event (Bralower et al. 2002; Petrizzo 2005), registrato nell’ambito del Paleocene a ca. 58 Ma, e il “PETM” (Paleocene-Eocene Thermal Maximum), a ~55 Ma, registrato al passaggio Paleocene/Eocene, come evento d’intenso riscaldamento (“hyperthermal”), e oggetto di una consistente attività di ricerca negli ultimi anni (per es., Zachos et al. 2001, 2005, 2007, e relativa bibliografia; Bralower 2002; Gibbs et al. 2006). In corrispondenza degli intervalli suddetti, sono state evidenziate anomalie climatiche caratterizzate da escursioni del delta 13C e aumenti di temperatura negli oceani, particolarmente durante il PETM. Inoltre, sarà presa in esame l’evoluzione di alcuni taxa nell’intervallo Daniano-Selandiano, corrispondente a un evento evolutivo molto importante fra i foraminiferi planctonici, cioè la rapida diversificazione e radiazione del genere Morozovella e l’acquisizione dei fotosimbionti (Norris, 1997; Kelly et al., 1996).
Scopo del progetto è di delineare in dettaglio modelli di estinzione, comparsa, modificazioni morfologiche e distribuzione quantitativa di taxa di nannofossili selezionati tra quelli che registrano notevoli innovazioni evolutive nell’intervallo di tempo considerato. L’obiettivo finale è cercare di decifrare la possibile relazione, o la “non-relazione” (casualità?), tra questi microfossili calcitici e i cambiamenti climatico-ambientali, valutando anche il ruolo di causa-effetto tra gli stessi processi evolutivi osservati entro la comunità dei nannofossili calcarei.
Il programma di ricerca che viene proposto si avvale della disponibilità di sedimenti marini profondi, recuperati dalla crociera dell’ Ocean Drilling Program (ODP) Leg 208 (denominato “Early Cenozoic Extreme Climates: the Walvis Ridge Transect”) (Zachos et al., 2004). Per la presenza di associazioni a nannofossili ricche e diversificate nell’intervallo Paleocene-Eocene inferiore, tali sedimenti costituiscono il materiale ideale per analisi accurate su episodi evolutivi rilevanti, già mostrati dallo studio evolutivo preliminare pubblicato (Agnini et al. 2007). Nell’intervallo di tempo considerato e nelle stesse successioni sedimentarie, saranno disponibili curve isotopiche dettagliate del delta 18O e delta 13C, e sono già disponibili record lithologici e geochimici (Ba, Fe) che mostrano evidente ciclicità litologia collegata alla natura ciclica dell’evoluzione climatica del Paleogene inferiore. I dati ottenuti sulle associazioni a nannofossili saranno confrontati con questi proxie. A tale riguardo, la definizione della composizione delle associazioni e dell’andamento degli episodi evolutivi in momenti di forte variazione del delta13C (dovuta in parte al graduale o improvviso e consistente rilascio di CO2) da’ la possibilità di valutare, se esiste, l’impatto di tali variazioni isotopiche sui nannofossili stessi, sia in termini di variabilità tassonomica che di potenziale di calcificazione. Inoltre, può aiutare a chiarificare se, e come, le intense ma brevi crisi climatiche possono interferire sui meccanismi che controllano l’evoluzione.

Nei 2 anni previsti, il presente progetto di ricerca si propone di perseguire i seguenti obiettivi:

1. Ricostruzione degli eventi si speciazione di taxa prescelti:

Durante l’intervallo considerato, l’innovazione tassonomica e la diversificazione dei nannofossili calcarei è avvenuta in fasi successive (Aubry 1998; Agnini et al. 2007) e ha coinvolto molte componenti dell’associazione. Bisogna precisare che le componenti delle associazioni a nannofossili si distinguono in due grandi gruppi: i coccoliti e i nannoliti. I coccoliti sono forme prodotte da alghe unicellulari del tipo Coccolitoforidi, il gruppo dominante tra gli organismi biocalcificatori. I nannoliti sono forme costituite da elementi di calcite con morfologie molto diversificate, che non hanno forme analoghe tra le Coccolitoforidi viventi, ma si ritrovano con i coccoliti nelle associazioni fossili, e sono pertanto considerate il prodotto di alghe affini.
Oggetto di studio del presente programma di ricerca sono alcuni taxa tra i nannoliti, coinvolti negli eventi evolutivi delineati da Agnini et al. (2007) nel Paleocene. In particolare, tra gli episodi più significativi che hanno interessato i nannofossili tra circa 61 e 55 Ma, e che hanno caratterizzato le associazioni paleoceniche con sostanziale cambiamenti, saranno considerate le comparse, in successione, nel record stratigrafico dei generi Sphenolithus, Fasciculithus, Heliolithus e Discoaster. La comparsa di questi taxa nel record stratigrafico rappresenta una notevole innovazione morfologica entro la comunità del fitoplancton calcareo. Tutti i suddetti taxa si diversificano tra la fine del Paleocene inferiore e durante il Paleocene superiore (tra circa 60 e 55 Ma) in intervalli ben definiti, e alcuni taxa presentano ripetuti episodi di radiazione. La successione degli episodi evolutivi, rispetto alla stratigrafia magnetica, è la seguente: comparsa e speciazione del genere Sphenolithus intorno alla transizione Chron C27n/C26r; comparsa e speciazione del genere Fasciculithus nell’ambito del Chron C26r; speciazione in Sphenolithus, comparsa e speciazione dei generi Heliolithus e Discoaster intorno al Chron C26n e parte inferiore del Chron C25r; speciazione entro i generi Fasciculithus e Discoaster in corrispondenza del Chron C25n-base C24r. Nel Paleocene superiore, alcuni generi mostrano una fase di declino, che porta successivamente alla loro estinzione: Heliolithus scompare nella parte alta del Paleocene, Fasciculithus registra un declino che avviene in corrispondenza della transizione Paleocene/Eocene (nel Chron C24r), e che precede la loro scomparsa graduale e definitiva nella parte basale dell’Eocene
La ricerca proposta si articolerà come segue:
Verranno effettuate analisi per l’acquisizione di dati sui modelli evolutivi dei taxa considerati, più precisamente: a) analisi di dettaglio sulle morfologie dei taxa in esame, con particolare enfasi su esemplari con morfologie di transizione tra due taxa. Analisi morfometriche saranno svolte al microscopio ottico polarizzatore e al microscopio Elettronico a Scansione; b) descrizione quantitativa delle associazioni a nannofossili riscontrate in corrispondenza dei passaggi evolutivi, per una quantificazione precisa della diversità tassonomica; c) valutazione delle velocità di comparsa ed estinzione; d) valutazione dei flussi carbonatici associati alla composizione delle associazioni.

1.1 Materiale: Lo studio sarà effettuato su sedimenti oceanici del Paleocene recuperati durante l’Ocean Drilling Program (ODP) Leg 208 (nel Walvis Ridge, nell’Oceano Atlantico meridionale; Zachos et al. 2004) su successioni sedimentarie che risultano stratigraficamente complete ed indisturbate. I campioni che saranno analizzati nelle successioni continue dei Sites 1262 e 1267 provengono da intervalli selezionati della parte alta del Paleocene inferiore e del Paleocene superiore, mentre nel Site 1263 sarà campionato nell’intervallo sottostante al PETM.
La scelta delle tre successioni è stata fatta in base ai dati provenienti dallo studio svolto nell’intervallo Paleocene superiore-Eocene inferiore (da parte delle Unità di Ricerca di Chieti e Padova; Agnini et al. 2007) e dallo studio sulle associazioni a nannofossili del PETM nei Site 1262 e 1263 (Raffi et al., sottoposto alla stampa). Nel materiale considerato per lo svolgimento del presente progetto sono in corso studi dettagliati da parte di altri ricercatori, J. Zachos (University of California, Santa Cruz), U. Röhl and T. Westerhold (University of Bremen), che riguardano l’evoluzione climatica e oceanografica del Paleocene, attraverso l’analisi degli isotopi stabili e lo studio in dettaglio del PETM.

1.2 Metodi: Informazioni sulle modalità di diversificazione e variabilità temporale della diversità nei taxa selezionati verranno acquisite mediante l’analisi quantitativa delle associazioni, svolta su campionature in alta risoluzione (1 campione/2000-3000 anni) nell’intervallo Paleocenico dei Site 1262 e 1267, e in altissima risoluzione (u-channel samples; 1 campione/500-1000 anni) al top del Paleocene del Site 1263. Negli intervalli critici, le analisi saranno svolte possibilmente sugli stessi campioni analizzati per gli altri studi paleoambientali, con lo scopo di osservare la variabilità evolutiva alla scala della variabilità climatica. In campioni scelti saranno eseguite analisi morfometriche, e valutati i flussi di carbonato sulla base della presenza di determinati taxa (si veda Erba e Tremolada 2004). A completamento delle analisi sulla composizione delle associazioni a nannofossili, sarà valutato il loro stato di conservazione (mediante osservazioni qualitative e conteggi sulla frammentazione degli esemplari da effettuare al SEM). Tale valutazione è necessaria per una corretta interpretazione degli eventuali cambiamenti osservati nell’ambito delle associazioni.

2. Cronologia degli episodi evolutivi documentati, e loro confronto e correlazione con i dati geochimici e i dati sui foraminiferi:

Sarà possibile ottenere una precisa valutazione temporale degli episodi evolutivi che verranno studiati e ricostruiti in quanto una robusta cronologia, per l’intervallo Paleocene, delle successioni sedimentarie oggetto dello studio esiste (Westerhold et al., 200, in stampa), e ulteriori studi sono in corso. Una parte dei dati quantitativi ottenuti sarà confrontata con i dati riguardanti foraminiferi planctonici e parametri geochimici ottenuti nelle stesse successioni. Più precisamente, attività di collaborazione, col confronto dei risultati ottenuti, è programmata con C. Kelly (University of Wisconsin), che sta svolgendo uno studio sugli effetti degli eventi climatici a lungo e breve termine sui foraminiferi planctonici dello stesso intervallo di tempo, e con J. Zachos (University of California, Santa Cruz, USA) e U. Röhl e T. Westerhold (University of Bremen, Germania), che stanno svolgendo studi sulle variazioni climatiche e oceanografiche ricostruite con i dati degli isotopi stabili. E’ prevista un’attività di collaborazione nell’ambito delle stesse tematiche, e di confronto dei rispettivi dati, con alcuni ricercatori delle Unità di ricerca dell’Università di Padova e dell’Università di Milano. Confronti saranno fatti con i dati micropaleontologici e geochimici ottenuti in altre successioni di mare profondo e dell’area Tetidea, che sono nei programmi di ricerca di altre Unità di Ricerca, come le Unità dell’Università di Padova e dell’Università di Milano.