I pini diventano temporaneamente sterili se esposti a radiazioni ultraviolette così intense come alcuni scienziati ritengono che la Terra abbia sperimentato 252 milioni di anni fa durante la più grande estinzione di massa del pianeta, a sostegno della teoria secondo cui l'esaurimento dell'ozono ha contribuito alla crisi.

L'effetto dei raggi UV elevati su conifere e potenzialmente altri alberi suggerisce anche cautela oggi nell'introdurre sostanze chimiche che riducono lo strato di ozono della Terra, che deve ancora riprendersi dopo un divieto globale sui refrigeranti clorofluorocarburi negli anni '80 istituito dopo che i buchi dell'ozono si sono sviluppati sui poli. Alcuni prodotti chimici industriali distruggono anche l'ozono atmosferico, che è la crema solare del pianeta, proteggendo tutta la vita dai raggi UV eccessivi, in particolare lunghezze d'onda UV-B, che causa mutazioni nel DNA.

Risultati dell'esperimento, condotto dall'Università della California, Lo studente laureato di Berkeley Jeffrey Benca, sarà pubblicato il 7 febbraio sulla rivista online Progressi scientifici .

Benca irradiata alta 18 pollici, pini simili a bonsai con dosaggi UV-B fino a 13 volte più forti che sulla Terra di oggi, simulando gli effetti della riduzione dell'ozono causata da immense eruzioni vulcaniche avvenute alla fine del Permiano. Durante l'esperimento di due mesi, nessuno degli alberi è morto, ma tutti i coni di semi, o pigne, avvizzito solo pochi giorni dopo essere emerso, lasciando gli alberi sterili.

Quando posizionato all'esterno, gli alberi hanno riacquistato la capacità di produrre coni di semi sani negli anni successivi.

Gli scienziati hanno proposto che l'esaurimento dell'ozono causato da periodiche eruzioni vulcaniche nel corso di quasi un milione di anni sia stata una delle cause dell'estinzione di fine Permiano, ma come non è stato chiaro. La pioggia acida sarebbe stata un effetto locale, ma l'estinzione di quasi il 70 per cento degli animali terrestri conosciuti, Il 95% della vita marina e di molti lignaggi vegetali era globale.

Precedenti studi di modellizzazione del paleoclima suggeriscono che gli spruzzi vulcanici potrebbero aver spazzato via lo strato di ozono in tutto il mondo, sebbene temporaneamente. Tuttavia, anche se gli alberi antichi hanno riacquistato la loro fertilità, ripetuti attacchi di sterilità avrebbero potuto ostacolare la crescita della popolazione nel tempo, portando al collasso della biosfera in tutto il pianeta, secondo Benca.

Crollo della biosfera a lungo termine

"Durante la crisi di fine Permiano, le foreste potrebbero essere scomparse in parte o completamente a causa della maggiore esposizione ai raggi UV, " Benca ha detto. "Con gli impulsi di eruzioni vulcaniche in corso, ci aspetteremmo un indebolimento dello scudo di ozono pulsato, che potrebbe aver portato al declino delle foreste precedentemente osservato nei reperti fossili".

"Se interrompi ripetutamente alcune delle linee di piante dominanti a livello globale, potresti innescare cascate trofiche destabilizzando la base della rete alimentare, che non funziona molto bene per gli animali terrestri, " Ha aggiunto.

I risultati a sorpresa dicono agli scienziati qualcosa sulle estinzioni passate e sulle prospettive future della Terra come cambiamenti climatici, la distruzione dell'habitat e l'inquinamento ci hanno preparato alla sesta estinzione di massa della Terra.

"I paleontologi hanno escogitato vari scenari di uccisione per estinzioni di massa, ma la vita delle piante potrebbe non essere influenzata dalla morte improvvisa tanto quanto dall'interruzione di una parte del ciclo vitale, come la riproduzione, in un lungo periodo di tempo, causando la diminuzione della popolazione e potenzialmente la scomparsa, " ha detto la co-autrice Cindy Looy, un professore associato di biologia integrativa all'Università di Berkeley.

"Le catastrofi globali della biodiversità non riguardano la morte, ma la potatura dei rami evolutivi sull'albero della vita a un ritmo molto più elevato rispetto alla germogliazione di nuovi germogli, " ha aggiunto il co-autore Ivo Duijnstee, un assistente professore a contratto di biologia integrativa. "Jeff, che ha usato le sue camere di crescita delle piante come una macchina del tempo per testare il potenziale di un'ipotesi su ciò che potrebbe essere accaduto 252 milioni di anni fa, fornisce un eccellente esempio che illustra come la lenta estinzione sulla terraferma nel corso di decine o centinaia di migliaia di anni possa essere stata causata da problemi riproduttivi alla base della catena alimentare".

vulcani siberiani

Si pensa che l'estinzione alla fine del Permiano sia stata causata da eruzioni vulcaniche in Siberia nel corso di centinaia di migliaia se non un milione di anni che hanno prodotto quelle che oggi sono conosciute come le trappole siberiane:campi di lava che coprono gran parte della Russia settentrionale e originariamente comprendevano quasi 3 milioni di miglia quadrate con uno spessore medio di circa 1, 000 piedi.

Nel 2004, Looy e il suo precedente dottorato di ricerca. il consigliere Henk Visscher ha proposto un modo in cui ciò avrebbe potuto svolgersi, basi su spore fossili di piante anormali trovate in tutto il mondo:gas vulcanici - alocarburi come il cloruro di metile e il bromuro di metile - hanno distrutto gran parte o tutto lo strato di ozono terrestre, aumentare l'esposizione ai raggi UV-B che avrebbe influenzato la vita e potenzialmente aumentato i tassi di mutazione genetica nel polline e nelle spore delle piante in tutto il mondo.

Le prove di questa ipotesi sono cresciute nel 2005 quando un gruppo di ricerca indipendente guidato da Clinton Foster di Geoscience Australia ha scoperto grani di polline malformati da piante da seme di fine Permiano. L'aumento della percentuale di polline malformato, che si vede sia nell'emisfero settentrionale che in quello meridionale, coincise con il declino delle foreste a livello globale.

Trovare prove di meccanismi di malformazione in fossili di polline di 252 milioni di anni è impossibile, così Looy e altri hanno cercato altri modi per determinare se l'aumento dei raggi UV-B ha interrotto l'ecosistema della fine del Permiano. Benca ha escogitato una serie di esperimenti utilizzando piante viventi per verificare l'ipotesi.

Il primo esperimento, usando i pini, è stato progettato per scoprire se alti livelli di UV-B potrebbero causare grani di polline malformati nelle odierne piante da seme simili a quelle descritte da Foster, e se queste malformazioni potrebbero influenzare la riproduzione. Spremere un pino maturo in un laboratorio è stato un punto critico fino a quando Benca ha trovato una nuova soluzione:utilizzare una cultivar nana selezionata per i bonsai che produce facilmente polline e coni di semi.

Nel 2013, ha trasportato 60 pini clonali nani a Berkeley da un vivaio di conifere a Boring, Oregon. Dopo averli acclimatati per un anno all'aperto in pieno sole con poca acqua e terreno povero di nutrienti - condizioni tipiche per questa specie alpina, Pinus mugo - ha eseguito un esperimento indoor di 56 giorni utilizzando lampade a emissione di UV-B ad alta intensità.

In tre camere UV interne separate, Benca ha esposto i pini mughi a 7,5, 10 e 13 volte la normale intensità UV-B di Berkeley, in linea con le stime dell'impatto che le eruzioni della trappola siberiana avrebbero avuto sullo strato di ozono se le loro emissioni si fossero verificate per periodi di tempo diversi, che vanno da 400, 000 anni a meno di 200, 000 anni.

Infatti, i pini producevano polline malformato. Alle esposizioni medie ed estreme, Dal 12 al 15 percento dei grani di polline erano deformi, contro il 3% negli alberi normali e a bassa esposizione. Il precedente studio di Foster ha suggerito che i raccolti di polline con più del 3% di grani malformati sono associati allo stress ambientale nelle conifere moderne, disse Benca. In totale, trascorse tre anni conducendo gli esperimenti e confrontando più di 57, 000 granelli di polline prodotti dagli alberi nelle camere.

Con grande stupore dei ricercatori, però, tutti gli alberi sottoposti a livelli di UV aumentati sono diventati sterili. I loro coni di semi si sono raggrinziti prima che avessero la possibilità di essere fecondati. Questa sembrava essere una reazione sistemica allo stress UV-B, poiché anche i coni di semi nascosti tra le foglie morirono.

"Il sistema che abbiamo usato era davvero abbastanza conservativo, " Benca ha detto. "A differenza delle strutture porta-seme relativamente non protette delle piante da seme di fine Permiano colpite, i pini di oggi sono elaborati e molto pesantemente rinforzati, scaglie di cono intrecciate che proteggono i loro semi dai predatori e dall'ambiente esterno. Comunque, questi alberi hanno appena abbandonato tutti i loro coni di semi. Il Pinus mugo è una specie alpina che dovrebbe essere abbastanza resistente all'aumento dei livelli di raggi UV".

"L'esperimento di Jeff con l'esplosione di UV-B - un po' un colpo lungo calcolato - ha prodotto anomalie del polline in una moderna conifera simili alle anomalie osservate in microfossili di 252 milioni di anni è stata una delle cose più eccitanti che ho visto in questo decennio, "Ha detto Duijnstee.