Conchiglie fossili microscopiche stanno aiutando i geologi a ricostruire il clima della Terra durante il Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM), un periodo di improvviso riscaldamento globale e acidificazione degli oceani verificatosi 56 milioni di anni fa. Gli indizi di questi antichi gusci possono aiutare gli scienziati a prevedere meglio il riscaldamento futuro e l'acidificazione degli oceani causati dalle emissioni di anidride carbonica causate dall'uomo.

Guidato dalla Northwestern University, i ricercatori hanno analizzato conchiglie di foraminiferi, un organismo unicellulare oceanico con un guscio esterno fatto di carbonato di calcio. Dopo aver analizzato la composizione isotopica del calcio dei fossili, i ricercatori hanno concluso che la massiccia attività vulcanica ha iniettato grandi quantità di anidride carbonica nel sistema Terra, causando il riscaldamento globale e l'acidificazione degli oceani.

Hanno anche scoperto che il riscaldamento globale e l'acidificazione degli oceani non hanno solo influenzato passivamente i foraminiferi. Gli organismi hanno anche risposto attivamente riducendo i tassi di calcificazione durante la costruzione dei loro gusci. Con il rallentamento della calcificazione, i foraminiferi consumavano meno alcalinità dall'acqua di mare, che ha contribuito a tamponare l'aumento dell'acidità dell'oceano.

"La formazione e la dissoluzione del carbonato di calcio aiutano a regolare l'acidità e l'alcalinità dell'acqua di mare, ", ha detto Andrew Jacobson della Northwestern, un autore senior dello studio. "I nostri dati sugli isotopi di calcio indicano che la ridotta calcificazione dei foraminiferi ha funzionato per smorzare l'acidificazione dell'oceano prima e attraverso il PETM".

"Questo è un concetto piuttosto nuovo nel campo, " ha aggiunto Gabriella Kitch, primo autore dello studio. "In precedenza, la gente pensava che solo la dissoluzione dei carbonati sul fondo del mare potesse aumentare l'alcalinità dell'oceano e tamponare gli effetti dell'acidificazione degli oceani. Ma stiamo aggiungendo agli studi esistenti che mostrano che la diminuzione della produzione di carbonato ha lo stesso effetto tampone".

La ricerca è stata pubblicata online la scorsa settimana (4 marzo) sulla rivista Geologia . Questo è il primo studio ad esaminare la composizione dell'isotopo di calcio dei foraminiferi per ricostruire le condizioni prima e attraverso il PETM e il terzo recente studio nordoccidentale per scoprire che l'acidificazione degli oceani, dovuta alle emissioni di anidride carbonica vulcanica, ha preceduto le principali catastrofi ambientali preistoriche, come le estinzioni di massa, eventi anossici oceanici e periodi di intenso riscaldamento globale.

Jacobson è un professore di scienze della Terra e planetarie al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Kitch è un dottorato di ricerca. candidato e ricercatore laureato della National Science Foundation nel laboratorio di Jacobson. I professori di scienze della Terra della Northwestern Bradley Sageman e Matthew Hurtgen, così come i collaboratori dell'Università della California-Santa Cruz (UCSC) e dell'Università del Kansas, coautore del documento con Jacobson e Kitch.

Ordinamento di conchiglie microscopiche

Per studiare le condizioni oceaniche durante il PETM, i ricercatori hanno esaminato la composizione dell'isotopo di calcio dei fossili di foraminiferi raccolti da due siti, uno nell'Oceano Atlantico sudorientale e uno nell'Oceano Pacifico, dall'Ocean Drilling Program.

Poiché ogni conchiglia fossilizzata ha le dimensioni di un singolo granello di sabbia, I ricercatori dell'UCSC hanno raccolto fisicamente i minuscoli campioni identificandoli prima al microscopio. Dopo aver selezionato i gusci dai sedimenti sfusi, il team della Northwestern ha sciolto i campioni e ha analizzato la loro composizione di isotopi di calcio utilizzando uno spettrometro di massa a ionizzazione termica.

"Il lavoro è molto impegnativo, " ha detto Jacobson. "Per manipolare questi piccoli materiali, devi raccoglierli, uno per uno, con una punta di pennello bagnata al microscopio".

Stress prima della PETM

Poiché le conchiglie si sono formate più di 56 milioni di anni fa, hanno risposto alle condizioni oceaniche. Esaminando questi gusci, il team della Northwestern ha scoperto che i rapporti degli isotopi di calcio aumentavano prima dell'inizio della PETM.

"Stiamo osservando un gruppo di organismi che hanno costruito i loro gusci in una parte dell'oceano, registrando la chimica dell'acqua di mare che li circonda, " ha detto Kitch. "Pensiamo che i dati sugli isotopi di calcio rivelino un potenziale stress prima del confine ben noto".

Altri archivi indicano che il sistema atmosfera-oceano ha subito un massiccio rilascio di anidride carbonica immediatamente prima del PETM. Quando l'anidride carbonica atmosferica si dissolve nell'acqua di mare, forma un acido debole che può inibire la formazione di carbonato di calcio. Sebbene sia ancora indeterminato, Gli scienziati della Terra ritengono che il rilascio di carbonio molto probabilmente sia dovuto all'attività vulcanica o agli effetti a cascata, come il rilascio di idrati di metano dal fondo del mare a causa del riscaldamento degli oceani.

"Il mio sospetto è che siano entrambi questi fattori o una sorta di combinazione, " Ha detto Sageman. "La maggior parte dei grandi eventi nella storia della Terra rappresentano una confluenza di molti attori che si uniscono allo stesso tempo".

Emerge un modello coerente

Questo è il terzo studio condotto da Jacobson per scoprire che l'acidificazione degli oceani precede le principali catastrofi ambientali correlate alle grandi eruzioni della provincia ignea. Lo scorso mese, Il team di Jacobson ha pubblicato risultati che hanno scoperto che l'attività vulcanica ha innescato una crisi di biocalcificazione prima di un evento anossico oceanico avvenuto 120 milioni di anni fa. Poco più di un anno fa, Il team di Jacobson ha pubblicato un altro studio che ha scoperto che l'acidificazione degli oceani ha preceduto l'impatto di un asteroide che ha portato all'evento di estinzione di massa del Cretaceo-Paleogene 66 milioni di anni fa, che includeva la scomparsa dei dinosauri.

In tutti e tre gli studi, Il team di Jacobson ha utilizzato strumenti sofisticati nel suo laboratorio per analizzare la composizione dell'isotopo di calcio dei fossili e dei sedimenti di carbonato di calcio. Jacobson ha detto che sta emergendo un modello chiaro. Gli afflussi di anidride carbonica hanno portato al riscaldamento globale e all'acidificazione degli oceani e, in definitiva, a massicci cambiamenti ambientali.

"In tutti i nostri studi, vediamo costantemente un aumento dei rapporti isotopici del calcio prima dell'inizio di eventi importanti o orizzonti di estinzione, " Jacobson ha detto. "Questo sembra indicare driver simili e risposte comuni".

"Forse il sistema degli isotopi del calcio è sensibile alle prime fasi di questi eventi, " Aggiunse Sageman.

Predittivo per il futuro stress oceanico

Molti ricercatori studiano il PETM perché fornisce il miglior analogo per il giorno corrente, riscaldamento globale causato dall'uomo. L'afflusso di carbonio durante il PETM è simile alla quantità di carbonio rilasciata negli ultimi due secoli. I tempi, però, differire in modo significativo. Le temperature durante il PETM sono aumentate di 5-8 gradi Celsius oltre 170, 000 anni. Con il cambiamento climatico causato dall'uomo, si prevede che lo stesso livello di riscaldamento si verificherà in meno di 200 anni, se le emissioni di anidride carbonica rimangono invariate.

Spaventosamente, stress terrestre e oceanico, compresa una forte diminuzione della calcificazione dei foraminiferi, accompagnato il PETM.

"Il PETM è un modello per ciò che accade durante le principali perturbazioni del ciclo del carbonio di grandi dimensioni, " Ha detto Jacobson. "Molte previsioni per il clima futuro della Terra si basano sulla comprensione di ciò che è accaduto durante il PETM".