Una nuova ricerca di Princeton mostra che gli squali megatooth preistorici, i più grandi squali mai vissuti, erano predatori apicali al livello più alto mai misurato.

Gli squali Megatooth prendono il nome dai loro enormi denti, che possono essere ciascuno più grande di una mano umana. Il gruppo include Megalodon, il più grande squalo mai esistito, oltre a diverse specie affini.

Sebbene gli squali di un tipo o dell'altro siano esistiti molto prima dei dinosauri, per più di 400 milioni di anni, questi squali megatooth si sono evoluti dopo che i dinosauri si sono estinti e hanno governato i mari fino a soli 3 milioni di anni fa.

"Siamo abituati a pensare alle specie più grandi - balenottere azzurre, squali balena, persino elefanti e diplodochi - come alimentatori di filtri o erbivori, non predatori", ha affermato Emma Kast, Ph.D. laureato in geoscienze che è il primo autore di un nuovo studio nell'attuale numero di Science Advances . "Ma Megalodon e gli altri squali megatooth erano davvero enormi carnivori che mangiavano altri predatori e Meg si estinse solo pochi milioni di anni fa."

Il suo consigliere Danny Sigman, professore di scienze geologiche e geofisiche di Princeton a Dusenbury, ha aggiunto:"Se Megalodon esistesse nell'oceano moderno, cambierebbe completamente l'interazione degli esseri umani con l'ambiente marino".

Un team di ricercatori di Princeton ha ora scoperto prove evidenti che Megalodon e alcuni dei suoi antenati si trovavano sul gradino più alto della catena alimentare preistorica, quello che gli scienziati chiamano il più alto "livello trofico". In effetti, la loro firma trofica è così alta che devono aver mangiato altri predatori e predatori di predatori in una complicata rete alimentare, affermano i ricercatori.

"Le reti alimentari oceaniche tendono ad essere più lunghe della catena alimentare degli animali terrestri erba-cervo-lupo, perché si inizia con organismi così piccoli", ha detto Kast, ora all'Università di Cambridge, che ha scritto la prima iterazione di questa ricerca come un capitolo della sua tesi. "Per raggiungere i livelli trofici che stiamo misurando in questi squali megatooth, non abbiamo solo bisogno di aggiungere un livello trofico - un predatore all'apice in cima alla catena alimentare marina - dobbiamo aggiungerne diversi in cima al moderno cibo marino web."

Il Megalodon è stato stimato in modo prudente a 15 metri di lunghezza, 50 piedi, mentre i grandi squali bianchi moderni in genere superano i cinque metri (15 piedi).

Per giungere alle loro conclusioni sulla rete alimentare marina preistorica, Kast, Sigman e i loro colleghi hanno utilizzato una nuova tecnica per misurare gli isotopi di azoto nei denti degli squali. Gli ecologisti sanno da tempo che più azoto-15 ha un organismo, maggiore è il suo livello trofico, ma gli scienziati non sono mai stati in grado di misurare le minuscole quantità di azoto conservate nello strato di smalto dei denti di questi predatori estinti.

"Abbiamo una serie di denti di squalo di diversi periodi di tempo e siamo stati in grado di tracciare il loro livello trofico rispetto alle loro dimensioni", ha affermato Zixuan (Crystal) Rao, uno studente laureato nel gruppo di ricerca di Sigman e coautore dell'attuale articolo .

Un modo per infilare uno o due livelli trofici extra è il cannibalismo, e diverse prove indicano che sia negli squali megatooth che in altri predatori marini preistorici.

La macchina del tempo dell'azoto

Senza una macchina del tempo, non c'è un modo semplice per ricreare le reti alimentari di creature estinte; pochissime ossa sono sopravvissute con segni di denti che dicono:"Sono stato masticato da un enorme squalo".

Fortunatamente, Sigman e il suo team hanno trascorso decenni a sviluppare altri metodi, basati sulla conoscenza che i livelli dell'isotopo di azoto nelle cellule di una creatura rivelano se si trova nella parte superiore, centrale o inferiore di una catena alimentare.

"L'intera direzione del mio team di ricerca è di cercare materia organica chimicamente fresca, ma fisicamente protetta, compreso l'azoto, negli organismi del lontano passato geologico", ha affermato Sigman.

Alcune piante, alghe e altre specie nella parte inferiore della rete alimentare hanno imparato l'abilità di trasformare l'azoto dall'aria o dall'acqua in azoto nei loro tessuti. Gli organismi che li mangiano incorporano quindi quell'azoto nei loro stessi corpi e, in modo critico, espellono preferenzialmente (a volte attraverso l'urina) più isotopo più leggero dell'azoto, N-14, rispetto al suo cugino più pesante, N-15.

In altre parole, l'N-15 si accumula, rispetto all'N-14, man mano che si risale la catena alimentare.

Altri ricercatori hanno utilizzato questo approccio su creature del recente passato, i più recenti 10-15 mila anni, ma fino ad ora non è rimasto abbastanza azoto da misurare negli animali più anziani.

Come mai? I tessuti molli come i muscoli e la pelle non vengono quasi mai preservati. A complicare le cose, gli squali non hanno le ossa:i loro scheletri sono fatti di cartilagine.

Ma gli squali hanno un biglietto d'oro nella documentazione sui fossili:i denti. I denti si conservano più facilmente delle ossa perché sono racchiusi nello smalto, un materiale duro come la roccia che è praticamente immune alla maggior parte dei batteri in decomposizione.

"I denti sono progettati per essere chimicamente e fisicamente resistenti in modo che possano sopravvivere nell'ambiente chimicamente molto reattivo della bocca e rompere il cibo che può avere parti dure", ha spiegato Sigman. E inoltre, gli squali non si limitano ai circa 30 bianchi perlati che hanno gli umani. Sono costantemente in crescita e perdono i denti (i moderni squali della sabbia perdono in media un dente ogni giorno della loro vita decennale, in media), il che significa che ogni squalo produce migliaia di denti nel corso della sua vita.

"Quando guardi nella documentazione geologica, uno dei tipi di fossili più abbondanti sono i denti di squalo", ha detto Sigman. "E all'interno dei denti, c'è una piccola quantità di materia organica che è stata utilizzata per costruire lo smalto dei denti e ora è intrappolata in quello smalto."

Poiché i denti di squalo sono così abbondanti e si conservano così bene, le firme di azoto nello smalto forniscono un modo per misurare lo stato nella catena alimentare, indipendentemente dal fatto che il dente sia caduto dalla bocca di uno squalo milioni di anni fa o ieri.

Anche il dente più grande ha solo un sottile involucro di smalto, di cui la componente azotata è solo una minuscola traccia. Ma il team di Sigman ha sviluppato tecniche sempre più raffinate per estrarre e misurare questi rapporti isotopici di azoto e, con un piccolo aiuto da trapani da dentista, prodotti chimici per la pulizia e microbi che alla fine convertono l'azoto dallo smalto in protossido di azoto, ora sono in grado di misurare con precisione il rapporto N15-N14 in questi antichi denti.

"Siamo un po' come una fabbrica di birra", ha detto. "Coltiviamo microbi e alimentiamo loro i nostri campioni. Producono protossido di azoto per noi, quindi analizziamo il protossido di azoto che hanno prodotto".

L'analisi richiede un sistema di preparazione del protossido di azoto automatizzato e personalizzato che estrae, purifica, concentra e fornisce il gas a uno spettrometro di massa specializzato con rapporto isotopico stabile.

"Questa è stata una ricerca lunga più decenni su cui sono stato, per sviluppare un metodo di base per misurare queste tracce di azoto", ha detto Sigman. Dai microfossili nei sedimenti, sono passati ad altri tipi di fossili, come coralli, ossa di pesce e denti di squalo. "Successivamente, noi e i nostri collaboratori lo stiamo applicando ai denti di mammiferi e ai denti di dinosauro."

Un tuffo nella letteratura durante il lockdown

All'inizio della pandemia, mentre i suoi amici preparavano lievito madre e abbuffavano Netflix, Kast esaminava la letteratura ecologica per cercare misurazioni degli isotopi di azoto dei moderni animali marini.

"Una delle cose interessanti che Emma ha fatto è stata scavare nella letteratura - tutti i dati che sono stati pubblicati nel corso dei decenni - e collegarli alla documentazione sui fossili", ha detto Michael (Mick) Griffiths, paleoclimatologo e geochimico della William Patterson University e un coautore dell'articolo.

Mentre Kast è stata messa in quarantena a casa, ha meticolosamente costruito un record con oltre 20.000 individui di mammiferi marini e più di 5.000 squali. Vuole portare le cose molto più lontano. "Il nostro strumento ha il potenziale per decodificare antiche reti alimentari; ciò di cui abbiamo bisogno ora sono campioni", ha affermato Kast. "Mi piacerebbe trovare un museo o un altro archivio con un'istantanea di un ecosistema, una raccolta di diversi tipi di fossili di un tempo e di un luogo, dai forami vicino alla base della rete alimentare, agli otoliti, le ossa dell'orecchio interno, da diversi tipi di pesci, ai denti dei mammiferi marini, oltre ai denti di squalo. Potremmo fare la stessa analisi degli isotopi dell'azoto e mettere insieme l'intera storia di un antico ecosistema."

Oltre alla ricerca bibliografica, il loro database include i propri campioni di denti di squalo. Il coautore Kenshu Shimada della DePaul University si è collegato con acquari e musei, mentre i coautori Martin Becker della William Patterson University e Harry Maisch della Florida Gulf Coast University hanno raccolto esemplari di megatooth sul fondo del mare.

"È davvero pericoloso; Harry è un maestro di immersioni e devi davvero essere un esperto per ottenerli", ha detto Griffiths. "Puoi trovare piccoli denti di squalo sulla spiaggia, ma per ottenere i campioni meglio conservati, devi scendere sul fondo dell'oceano. Marty e Harry hanno raccolto denti dappertutto."

Ha aggiunto:"È stato uno sforzo davvero collaborativo per ottenere i campioni per metterli insieme. In generale, collaborare con Princeton e altre università regionali è davvero entusiasmante perché gli studenti sono fantastici e i miei colleghi sono stati davvero fantastici con cui lavorare".

Alliya Akhtar, un dottorato di ricerca laureato a Princeton, è ora ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Griffiths.

"Il lavoro che ho svolto per la mia tesi (guardando alla composizione isotopica dell'acqua di mare) ha posto tante domande quante risposte, e sono stato incredibilmente grato di avere l'opportunità di continuare a lavorare su alcune di queste con un collaboratore/mentore che rispetto", Akhtar ha scritto in una e-mail. "Sono molto entusiasta di tutto il lavoro che deve ancora essere fatto, di tutti i misteri ancora da risolvere!"