La temperatura di un pianeta è legata alla diversità della vita che può sostenere. I geologi del MIT hanno ora ricostruito una linea temporale della temperatura della Terra durante l'inizio dell'era Paleozoica, tra 510 e 440 milioni di anni fa, un periodo cruciale in cui gli animali divennero abbondanti in un mondo precedentemente dominato dai microbi.

In uno studio apparso oggi su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i ricercatori tracciano cali e picchi della temperatura globale durante il primo Paleozoico. Riferiscono che queste variazioni di temperatura coincidono con la mutevole diversità della vita del pianeta:i climi più caldi hanno favorito la vita microbica, mentre le temperature più fresche hanno permesso agli animali più diversi di prosperare.

Il nuovo record, più dettagliate rispetto alle precedenti tempistiche di questo periodo, si basa sull'analisi del team dei fanghi carbonatici, un tipo comune di calcare che si forma da sedimenti ricchi di carbonato depositati sul fondo del mare e compattati nel corso di centinaia di milioni di anni.

"Ora che abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare questi fanghi carbonatici come registrazioni climatiche, che apre la porta a guardare indietro a tutta quest'altra parte della storia della Terra dove non ci sono fossili, quando la gente non sa molto di com'era il clima, ", afferma l'autore principale Sam Goldberg, uno studente laureato presso il Dipartimento della Terra del MIT, Atmosferico, e Scienze Planetarie (EAPS).

I coautori di Goldberg sono Kristin Bergmann, il D. Reid Weedon, Jr. Professore di sviluppo della carriera in EAPS, insieme a Theodore Present del Caltech e Seth Finnegan dell'Università della California a Berkeley.

Oltre i fossili

Per stimare la temperatura della Terra molti milioni di anni fa, gli scienziati analizzano i fossili, in particolare, resti di antichi organismi con guscio che precipitavano dall'acqua di mare e crescevano o affondavano sul fondo del mare. Quando si verificano precipitazioni, la temperatura dell'acqua circostante può modificare la composizione dei gusci, alterando le abbondanze relative di due isotopi di ossigeno:ossigeno-16, e ossigeno-18.

"Come esempio, se il carbonato precipita a 4 gradi Celsius, più ossigeno-18 finisce nel minerale, dalla stessa composizione di partenza dell'acqua, [rispetto a] carbonato che precipita a 30 gradi Celsius, " spiega Bergmann. "Quindi, il rapporto tra ossigeno-18 e -16 aumenta man mano che la temperatura si raffredda."

In questo modo, gli scienziati hanno utilizzato antichi gusci di carbonato per risalire alla temperatura dell'acqua di mare circostante, un indicatore del clima generale della Terra, nel momento in cui i gusci sono precipitati per la prima volta. Ma questo approccio ha portato gli scienziati solo finora, fino ai primi fossili.

"Ci sono circa 4 miliardi di anni di storia della Terra in cui non c'erano conchiglie, e quindi le conchiglie ci danno solo l'ultimo capitolo, "dice Goldberg.

Un segnale isotopico aggregato

La stessa reazione di precipitazione nelle conchiglie si verifica anche nei fanghi carbonatici. Ma i geologi presumevano che l'equilibrio isotopico nei fanghi carbonatici sarebbe stato più vulnerabile ai cambiamenti chimici.

"Le persone hanno spesso trascurato il fango. Hanno pensato che se provi a usarlo come indicatore di temperatura, potresti non guardare alla temperatura dell'oceano originale in cui si è formato, ma la temperatura di un processo avvenuto in seguito, quando il fango fu sepolto un miglio sotto la superficie, "dice Goldberg.

Per vedere se i fanghi carbonatici potrebbero conservare le tracce della loro temperatura circostante originale, il team ha utilizzato "la geochimica degli isotopi agglomerati, " una tecnica usata nel laboratorio di Bergmann, che analizza i sedimenti per l'aggregazione, o abbinamento, di due isotopi pesanti:ossigeno-18 e carbonio-13. La probabilità che questi isotopi si appaiano nei fanghi carbonatici dipende dalla temperatura, ma non è influenzata dalla chimica dell'oceano in cui si formano i fanghi.

La combinazione di questa analisi con le misurazioni tradizionali degli isotopi dell'ossigeno fornisce ulteriori vincoli alle condizioni sperimentate da un campione tra la sua formazione originale e quella presente. Il team ha ritenuto che questa analisi potesse essere una buona indicazione del fatto che i fanghi carbonatici siano rimasti invariati nella composizione dalla loro formazione. Per estensione, questo potrebbe significare che il rapporto ossigeno-18 a -16 in alcuni fanghi rappresenta accuratamente la temperatura originale alla quale si sono formate le rocce, consentendo il loro utilizzo come record climatico.

Alti e bassi

I ricercatori hanno testato la loro idea su campioni di fanghi carbonatici estratti da due siti, uno alle Svalbard, un arcipelago nell'Oceano Artico, e l'altro nel Terranova occidentale. Entrambi i siti sono noti per le loro rocce esposte che risalgono all'inizio dell'era paleozoica.

Nel 2016 e nel 2017, le squadre si sono recate prima alle Svalbard, poi Terranova, raccogliere campioni di fanghi carbonatici da strati di sedimenti depositati che abbracciano un periodo di 70 milioni di anni, dal medio Cambriano, quando gli animali cominciarono a prosperare sulla Terra, attraverso i periodi Ordoviciano del Paleozoico.

Quando hanno analizzato i campioni per gli isotopi agglomerati, hanno scoperto che molte delle rocce avevano subito pochi cambiamenti chimici dalla loro formazione. Hanno usato questo risultato per compilare i rapporti isotopici dell'ossigeno delle rocce da 10 diversi siti del Paleozoico primitivo per calcolare le temperature a cui si sono formate le rocce. Le temperature calcolate dalla maggior parte di questi siti erano simili ai record di temperatura fossile a bassa risoluzione precedentemente pubblicati. Alla fine, hanno mappato una linea temporale della temperatura durante il primo Paleozoico e l'hanno confrontata con i reperti fossili di quel periodo, per dimostrare che la temperatura ha avuto un grande effetto sulla diversità della vita sul pianeta.

"Abbiamo scoperto che quando faceva più caldo alla fine del Cambriano e all'inizio dell'Ordoviciano, c'era anche un picco di abbondanza microbica, " dice Goldberg. "Da lì si è raffreddato andando nel mezzo al tardo Ordoviciano, quando vediamo abbondanti fossili di animali, prima che una sostanziale era glaciale finisse l'Ordoviciano. In precedenza le persone potevano osservare solo le tendenze generali usando i fossili. Perché abbiamo usato un materiale molto abbondante, potremmo creare un record ad alta risoluzione e vedere alti e bassi più chiaramente definiti".

Il team sta ora cercando di analizzare i fanghi più vecchi, risalenti a prima della comparsa degli animali, per misurare i cambiamenti di temperatura della Terra prima di 540 milioni di anni fa.

"Per tornare indietro di oltre 540 milioni di anni fa, dobbiamo fare i conti con fanghi carbonatici, perché sono davvero uno dei pochi record che abbiamo per vincolare il clima nel lontano passato, "dice Bergmann.