Come possiamo sapere qualcosa sui livelli di anidride carbonica nell'atmosfera nel profondo passato della terra? Piccole bollicine intrappolate nel ghiaccio forniscono campioni di aria antica, ma questo record risale solo all'800, 000 anni. Per arrivare più indietro, gli scienziati devono dipendere dai proxy climatici, o parametri misurabili che variano sistematicamente con le condizioni climatiche.

Il proxy standard sono i rapporti isotopici dell'ossigeno nel minuscolo zooplancton chiamato foraminiferi. Sono più di 50, 000 specie diverse di questi insetti, 10, 000 viventi e 40, 000 estinto. Poiché i gusci dei foraminiferi registrano abbastanza fedelmente i rapporti degli isotopi di ossigeno nell'acqua di mare, forniscono un segnale che può essere utilizzato per dedurre antiche temperature.

Ma c'è un altro potenziale proxy che raccoglie polvere nell'archivio sedimentario:minuscolo fitoplancton chiamato coccolitofori. Si trovano in gran numero in tutto lo strato solare dell'oceano. Il loro piccolo, piastre simili a coprimozzo, chiamati coccoliti, sono il componente principale del Gesso, la formazione del tardo Cretaceo che affiora alle Bianche Scogliere di Dover, e un componente importante della "melma calcarea" che copre gran parte del fondo marino.

Poiché i coccolitofori sono produttori primari importanti per la biogeochimica oceanica, sono organismi ben studiati. Sono meno utilizzati per ricostruzioni paleoceanografiche rispetto ai foraminiferi, però, perché creano i loro piatti all'interno delle loro cellule piuttosto che farli precipitare direttamente dall'acqua di mare. Ciò significa che c'è una grande sovrastampa biologica sul segnale climatico che lo rende difficile da interpretare.

Ma nuove scoperte, pubblicato nel numero del 28 febbraio della rivista Comunicazioni sulla natura , potrebbe cambiarlo. Ricreare l'ambiente preistorico in condizioni di laboratorio, un team di scienziati dell'Università di Oxford, compreso Harry McClelland, ora un ricercatore associato post-dottorato presso la Washington University di St. Louis, e il Plymouth Marine Laboratory ha coltivato diverse specie di queste alghe, ciascuno con diversi livelli di carbonio.

Con questi dati sperimentali, hanno creato un modello matematico dei flussi di carbonio nella cellula coccolitofora che spiega le variazioni precedentemente inspiegabili nella composizione isotopica delle piastrine prodotte dalle alghe e fornisce la struttura per lo sviluppo di una nuova serie di proxy.

Ben inteso, il "rumore" può essere esso stesso un segnale. I coccoliti forniscono una finestra sulla biologia antica e sul clima, ha detto McClelland.

Coccoliti pesanti e leggeri

McClelland spiega che gli scienziati hanno iniziato con un piccolo mistero. I coccoliti erano stati divisi in due gruppi, uno leggero e uno pesante, a seconda che le piastrine da essi precipitate fossero più povere o più ricche dell'isotopo pesante più raro del carbonio rispetto al carbonato di calcio formato da processi fisici (abiotici). Le deviazioni dalla norma abiotica erano "sia grandi che enigmatiche, "Ha detto McClelland.

Gli isotopi pesanti subiscono tutte le stesse reazioni chimiche degli isotopi leggeri, ma, semplicemente perché hanno masse leggermente diverse, lo fanno a velocità leggermente diverse. Queste piccole differenze nelle velocità di reazione fanno sì che i prodotti delle reazioni abbiano rapporti isotopici diversi rispetto ai materiali di partenza.

I coccolitofori svolgono la relativa chimica del carbonio in due diversi compartimenti cellulari:il cloroplasto, dove avviene la fotosintesi, e vescicole coccolitiche, dove precipitano le piastrine. Il problema principale con la decifrazione del loro record isotopico delle alghe è che questi due processi guidano la composizione isotopica del pool di carbonio in direzioni opposte.

Nei loro cloroplasti, i coccolitofori prendono il carbonio inorganico e lo trasformano in molecole biologiche. Questo processo procede molto più rapidamente per la CO2 contenente l'isotopo leggero del carbonio, causando la deriva della composizione isotopica verso la variante più pesante. Piastrine che crescono in vescicole coccolitiche, d'altra parte, incorporare preferenzialmente la forma più pesante di carbonio dal pool di substrato.

Il team ha scelto una serie di specie di coccolitofori, sia leggero che pesante, e li ha cresciuti in laboratorio - "non è poi così diverso dal giardinaggio, McClelland ha detto" e poi ha costruito un modello matematico della cellula in grado di prevedere gli esiti isotopici in tutte le specie per le quali i dati erano disponibili.

Sono stati in grado di dimostrare che il rapporto tra calcificazione e fotosintesi determina se le piastrine sono isotopicamente più pesanti o più leggere del carbonato di calcio abiogenico. Sono stati in grado di spiegare le dimensioni della partenza e la sua direzione.

Per McClelland, la parte più emozionante dello studio è che apre una finestra sulla biologia delle creature antiche. Quando le persone usano i foraminiferi come proxy climatico, Egli ha detto, di solito scelgono una specie e assumono un effetto biologico costante, o compensato. Ma possiamo vedere l'impatto della diversa biologia nelle firme chimiche dei coccolitofori.

Con più ricerche, ha detto McClelland ha detto, rapporti isotopici basati sui coccoliti potrebbero essere sviluppati in un paleobarometro che ci aiuterebbe a comprendere la sensibilità del sistema climatico all'anidride carbonica atmosferica.

"Il nostro modello consente agli scienziati di comprendere i segnali algali del passato, come mai prima. Sblocca il potenziale dei coccolitofori fossilizzati per diventare uno strumento di routine, utilizzato nello studio dell'antica fisiologia delle alghe e anche in ultima analisi come registratore dei livelli passati di CO2, " ha detto l'autore senior Rosalind Rickaby, professore di biogeochimica a Oxford.