Una stromatolite del Wisconsin settentrionale nel cortile di Weeks Hall nel campus UW-Madison. Credito:David Tenenbaum
Uno studio che ha utilizzato una nuova biblioteca digitale e un sistema di lettura automatica per succhiare il midollo dei fatti da milioni di pubblicazioni geologiche risalenti a decenni fa ha svelato un mistero di lunga data della vita antica:perché le strutture facili da vedere e un tempo comuni chiamate stromatoliti essenzialmente cessarono formando nel lungo arco della storia della terra?
Le stromatoliti sono strati contorti di sedimenti formati da microbi, e si trovano spesso nel calcare e in altre antiche rocce sedimentarie depositate sotto gli oceani.
"I geologi sanno da molto tempo che le stromatoliti erano abbondanti in ambienti marini poco profondi durante il Precambriano, prima dell'emergere della vita multicellulare" più di 560 milioni di anni fa, dice Jon Husson, un ricercatore post-dottorato e coautore di uno studio ora online sulla rivista Geologia . "Ma, le stromatoliti sono rare nell'oceano oggi".
Il nuovo studio misura la diapositiva nella prevalenza di stromatolite sulla base delle descrizioni delle rocce setacciate da oltre 3 milioni di pubblicazioni scientifiche.
"I paleontologi hanno ampiamente attribuito il declino delle stromatoliti all'evoluzione degli animali, a partire da circa 560 milioni di anni fa, "dice Shanan Peters, professore di geoscienze all'Università del Wisconsin-Madison e primo autore dello studio. "Molti animali multicellulari, come lumache, mangiare microbi. L'evoluzione di questi grandi animali che brucano microbi ha colpito il mondo della stromatolite. O così è andata la storia".
Il nuovo studio ha trovato una debole correlazione tra la presenza di stromatolite e la diversità degli animali, ma un legame più forte con la chimica dell'acqua di mare.
"Il miglior predittore della prevalenza di stromatolite, sia prima che dopo l'evoluzione degli animali, è l'abbondanza di dolomite nei sedimenti marini poco profondi, " dice Husson. La dolomite è una varietà di carbonato ad alto contenuto di magnesio, il tipo di sedimento che forma il calcare. La dolomite è più difficile da produrre rispetto al carbonato di magnesio a basso contenuto di magnesio e si forma oggi solo in una gamma ristretta di ambienti marini.
Quando l'acqua dell'oceano è super satura di carbonato, "che può rendere più facile la formazione di cose come le stromatoliti, " dice Husson. "Nel lago Tanganica [Africa], ci sono stromatoliti che si formano oggi, anche se ci sono animali ovunque, lumache e pesce. Il lago è super-saturo di carbonato, e implora di essere precipitato. I microbi arrivano e lo aiutano a precipitare, e il risultato è un'abbondanza di stromatoliti." Un'elevata saturazione di carbonati può anche aiutare la formazione di dolomite, guidando così la correlazione con le stromatoliti trovate in questo studio.
Misurare la prevalenza di stromatoliti in tutta la storia della Terra è difficile perché contare il numero di stromatoliti da solo non è sufficiente. Devi anche sapere quante rocce potrebbero potenzialmente avere stromatoliti, ma non.
Jon Husson, un ricercatore post-dottorato che lavora con Shanan Peters, contiene una stromatolite, una struttura a base biologica che era molto più comune all'inizio della storia della Terra. Credito:David Tenenbaum
La grande innovazione di questo studio è l'interazione di un nuovo tipo di biblioteca digitale e sistema di lettura automatica chiamato GeoDeepDive con un database geologico chiamato Macrostrat. Entrambi erano guidati da Peters alla UW-Madison.
L'enorme capacità di calcolo del Center for High Throughput Computing e del sistema HTCondor di UW-Madison, nato da un'idea dello scienziato informatico di UW-Madison Miron Livny, alimenta GeoDeepDive. La combinazione della biblioteca digitale con il database geologico ha permesso ai ricercatori di stimare, in diversi periodi di tempo, la percentuale di rocce marine poco profonde che hanno effettivamente stromatoliti.
Lo studio è iniziato nell'estate del 2015 quando il terzo autore, Julia Wilcot, un nativo di Madison che allora era uno studente universitario a Princeton, ha chiesto a Peters un progetto estivo. "Nel mio tipico modo ho dato a Julia alcune opzioni, " dice Peters. "Ha raccolto stromatoliti, così ho detto, 'Va bene, fallo!' Con il minimo aiuto da parte nostra, ha sviluppato un'applicazione funzionante per scoprire ed estrarre ogni menzione di stromatoliti dalla nostra libreria."
Tra 10, 200 articoli che menzionavano stromatoliti, "il nostro programma è stato in grado di estrarre 1, 013 con il nome di un'unità rock, che ci ha permesso di collegare le occorrenze di stromatolite a Macrostrat, "dice Husson.
Wilcots non ha dovuto viaggiare per vedere stromatoliti, dice Peters. "A Madison, siamo seduti in cima alle rocce e stiamo registrando uno dei più grandi aumenti dell'abbondanza di stromatolite, almeno durante l'età degli animali".
Gli scienziati molto tempo fa hanno osservato che le stromatoliti hanno iniziato un lungo declino poco prima dell'inizio dell'era Cambriana, ma quel declino rappresentava una "questione fondamentale della paleobiologia, " dice Husson. "Le stromatoliti sono i fossili più antichi visibili ad occhio nudo. Se guardi una roccia che ha un miliardo di anni, la possibilità di vedere prove di vita è uguale alla possibilità di vedere stromatoliti."
Oltre a rispondere a una domanda fondamentale sulla storia della Terra, il nuovo studio "ci permette di fare il tipo di analisi che gli scienziati erano soliti solo sognare, Peters dice:"Se solo potessimo raccogliere tutte le informazioni pubblicate su... qualsiasi cosa!"
"Fare questo studio senza GeoDeepDive sarebbe quasi impossibile, " aggiunge Peters. "Leggere migliaia di articoli per individuare riferimenti a stromatoliti, e poi collegandoli a una certa unità rocciosa e periodo geologico, ci vorrebbe un'intera carriera, anche con Google Scholar. Qui abbiamo iniziato con un talentuoso studente universitario che lavora a un progetto estivo. GeoDeepDive ha notevolmente abbassato la barriera alla compilazione dei dati della letteratura per rispondere a molte domande."
Un'altra bellezza dei big data, l'approccio di lettura automatica è la capacità integrata per la replica e il miglioramento. "Ora che questo studio è stato fatto, possiamo eseguire l'applicazione stromatolite ancora e ancora. Possiamo affinare le ricerche, e valuteranno i nuovi dati che vengono pubblicati continuamente, " dice Peters. "Quindi una replica potrebbe fare uno studio migliore, con il minimo sforzo."
Per secoli, "i geologi hanno trasferito informazioni difficili da ottenere dal campo a informazioni difficili da ottenere in letteratura, " dice Peters. "Per ottenere una sintesi su larga scala, devi esaminare tutte le conoscenze pubblicate. Ci sono nuove scoperte in attesa nella letteratura scientifica, se riesci a vedere il quadro generale e a raccogliere tutti i dati in un unico posto."
