La storia della Terra è scandita da eruzioni vulcaniche ad alta energia, dal lento eppure intenso riposizionamento delle placche continentali e dall’innalzamento di catene montuose in grado di alterare in modo strutturale atmosfera e oceani. Processi profondi che hanno plasmato e continuano a trasformare il clima globale, e ad orientare l’evoluzione della vita. Lo dimostra una nuova ricerca pubblicata di recente su Science firmata da una collaborazione internazionale che comprende l’Università di Urbino, la University of Tsukuba, la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), l’Università di Tokyo, la Chiba University e la Fukushima University. La ricerca ricostruisce 143 milioni di anni di interazioni tra l’attività geodinamica dell’interno terrestre e la composizione chimica degli oceani, per “chiarire le relazioni causa-effetto che regolano il funzionamento della Terra e capire quali alterazioni potrebbe subire il Pianeta e come reagirà nel futuro”.
Ne parliamo con il Professor Fabrizio Frontalini, docente di Paleontologia e Paleoecologia, autore dello studio con Rodolfo Coccioni, Professore Onorario del nostro Ateneo.
Il Professor Fabrizio Frontalini
Professor Frontalini, lei ha definito questa ricerca “eccezionale”, perché?
Possiamo definirla eccezionale certamente per il contesto in cui è stata pubblicata. L’uscita su Science segnala una rilevanza scientifica di primo piano a livello internazionale. Parliamo di una rivista che seleziona solo ricerche che producono un avanzamento significativo delle conoscenze, e un impatto trasversale tra discipline diverse. Nel nostro caso, il valore dello studio sta nell’aver trovato una nuova chiave di lettura rispetto all’interconnessione che regola alcuni eventi della storia del nostro pianeta negli ultimi 143 milioni di anni. Processi come il vulcanismo, la tettonica – ossia lo studio della crosta terrestre e delle forze che ne determinano deformazioni e spostamenti – e le variazioni climatiche si legano e si intersecano tra loro, influenzando profondamente l’evoluzione dell’ambiente globale e della vita.
Quando e con quali obiettivi ha preso avvio lo studio?
La ricerca nasce da un percorso scientifico di lungo periodo. Negli anni abbiamo lavorato su studi stratigrafici, ricostruzioni paleoambientali e paleoceanografiche, analisi di eventi paleoclimatici e sul loro legame con i processi profondi della Terra. In questo quadro erano evidenti alcune lacune nel record isotopico, cioè in una sorta di impronta chimica che permette di ricostruire le condizioni ambientali di epoche passate. La serie non era continua e presentava intervalli temporali privi di dati. Infatti, l’obiettivo è stato quello di colmare progressivamente questi vuoti attraverso nuove analisi, fino ad ottenere una più completa riscrittura della storia del vulcanismo globale e delle dinamiche tettoniche. Il progetto ha preso forma grazie a una collaborazione con istituzioni giapponesi sviluppata a partire da interessi scientifici convergenti.
Quali sono stati i ruoli e le linee di ricerca nella collaborazione?
I colleghi giapponesi hanno reso disponibili strumentazioni analitiche molto all’avanguardia, in grado di misurare con precisione isotopi complessi – per semplificare: elementi chimici – come quelli dell’osmio. Il team dell’Università di Urbino ha contribuito con competenze consolidate nella biostratigrafia, nella micropaleontologia e nelle ricostruzioni paleoambientali, fondamentali per definire l’inquadramento cronologico dei campioni e per interpretare il segnale geochimico. E questo, secondo me, è un esempio di collaborazione nella ricerca di base in cui competenze complementari producono un risultato che difficilmente un gruppo, da solo, potrebbe raggiungere con la stessa solidità. Nel contempo, Urbino dimostra, una volta di più, di poter dialogare con istituzioni scientifiche internazionali e di offrire le proprie conoscenze per risolvere problemi complessi.
Ha firmato lo studio anche Rodolfo Coccioni, Professore Onorario del nostro Ateneo, che immagino abbia contribuito a dare il via alla ricerca.
Esatto. La collaborazione con il gruppo di ricerca di Hironao Matsumoto e le altre istituzioni giapponesi è stata avviata quando il Professor Coccioni non solo era ancora in servizio ma si occupava di sezioni chiave dello studio, ed è proseguita dopo il suo pensionamento. Il suo contributo è stato determinante per l’inquadramento stratigrafico e per l’interpretazione dei dati.
Spieghiamo ai non addetti ai lavori quali risultati ha prodotto l’indagine?
Lo studio ricostruisce per la prima volta, in modo continuo, la composizione isotopica dell’osmio negli oceani, negli ultimi 143 milioni di anni. L’osmio è un elemento raro, ma estremamente sensibile alla sua origine. Questo significa che il suo rapporto isotopico cambia a seconda della fonte. Assume quindi una firma geochimica diversa se proviene dall’erosione di continenti, dal mantello terrestre attraverso l’attività vulcanica, oppure da apporti extra-atmosferici come meteoriti o polveri cosmiche. Analizzando l’osmio conservato nei sedimenti marini è possibile capire quali processi dominavano in un certo intervallo di tempo. Per cui, l’oceano funziona come una sorta di archivio chimico della storia del pianeta capace di registrare le variazioni nei grandi cicli geodinamici.
I risultati mostrano che le fasi di vulcanismo intenso non si distribuiscono in modo casuale, ma seguono un ritmo ciclico di circa 10-20 milioni di anni e sono connesse a dinamiche profonde del mantello terrestre. In generale, lo studio documenta che il vulcanismo, la tettonica, la formazione delle grandi catene montuose hanno esercitato un’influenza strutturale sulla storia della Terra. Questi processi hanno modificato la composizione degli oceani e dell’atmosfera, condizionando il clima globale e i percorsi evolutivi della vita del pianeta.
Perché l’Appennino umbro-marchigiano è stato rilevante per l’analisi complessiva?
Una parte significativa dei dati utilizzati nello studio proviene dal bacino marchigiano che conserva uno dei record stratigrafici più completi al mondo, per l’intervallo di studio compreso negli ultimi 150 milioni di anni circa. Per capirci, le successioni rocciose che osserviamo tra la Gola del Furlo e Gubbio, raccontano, strato dopo strato, l’evoluzione dell’antico oceano Tetide, le variazioni del clima e della vita nel corso di milioni di anni. L’unicità dell’Appennino umbro-marchigiano offre dati comparabili a quelli che si possono prelevare nell’Oceano Atlantico o nell’Oceano Pacifico, rispetto ai quali presenta un vantaggio operativo enorme. Sono, infatti, rocce affioranti in superficie e quindi facilmente accessibili.
L’intera area funziona come un laboratorio a cielo aperto per la comunità scientifica internazionale, e ha avuto un ruolo centrale in scoperte di portata globale. Un esempio su tutti è quello della Gola del Bottaccione, a Gubbio, dove fu identificata per la prima volta, negli anni Ottanta, un aumento anomalo dell’iridio: un elemento raro nella crosta terrestre, ma presente ad altissime concentrazioni negli asteroidi o nei meteoriti. Quel segnale fu interpretato come evidenza dell’impatto del meteorite che causò, circa 66 milioni di anni fa, la cosiddetta “estinzione dei dinosauri” o estinzione di massa del Cretaceo-Paleogene.
Questa nuova conoscenza dei 143 milioni di anni della Terra quali ricadute potrebbe generare?
Questa ricerca contribuisce a spiegare come il sistema Terra reagisce a grandi perturbazioni naturali. Molte delle maggiori eruzioni vulcaniche del passato coincidono con cambiamenti climatici marcati, inclusi periodi di riscaldamento globale ed eventi anossici, in cui cioè l’ossigeno disciolto negli oceani si riduce drasticamente. Le enormi eruzioni che rilasciano imponenti quantità di gas modificano la chimica degli oceani e anche quella dell’atmosfera, con effetti a cascata sul clima e sulla vita. Quindi, analizzando questi eventi su scale temporali di milioni di anni, come abbiamo fatto noi, è possibile chiarire meglio le relazioni causa-effetto che regolano il funzionamento del Pianeta.
Non si tratta di prevedere quali singoli eventi accadranno, ma di capire quali alterazioni potrebbe subire la Terra e come reagirà nel futuro. I nostri dati non permettono di stabilire quando si verificheranno nuove grandi eruzioni, consentono però di valutare quali effetti potrebbero produrre sul clima globale, sia nella componente oceanica, sia in quella atmosferica, e di comprendere meglio le dinamiche che governano questo sistema complesso che chiamiamo pianeta Terra.
Immagino che lo studio abbia portato a una serie ampia di scoperte più o meno grandi. Qual è secondo lei quella più sorprendente?
Le scoperte sono diverse. La più sorprendente riguarda la regolarità dei cicli. Non ci aspettavamo di osservare con tanta chiarezza una periodicità di circa 10-20 milioni di anni nelle variazioni dell’osmio. E neanche ci aspettavamo un legame stretto tra vulcanismo profondo e cambiamenti rapidi nella chimica degli oceani. Questo conferma che la Terra è un sistema dinamico, vivo, e che ciò che avviene nel cuore del pianeta e risale fino alla sua superficie porta con sé cambiamenti che non possiamo ignorare.
La ricerca continua? Quali domande sulla storia della Terra restano ancora aperte?
Certo, la ricerca continuerà sicuramente. Un nostro dottorando, Nicola Casadei, è in partenza per il Giappone dove farà un’esperienza di studio proprio nel laboratorio di Matsumoto. Questo perché ci sono diverse domande aperte alle quali vogliamo dare risposta. Una, ad esempio, riguarda l’estensione dei cicli osservati a intervalli più antichi. Abbiamo ricostruito il Cretacico, che è una parte del Mesozoico, ma il Giurassico è ancora poco documentato. Nel nostro bacino le rocce affioranti di questa età sono limitate, per cui ci sposteremo in altre aree per esplorare gli “archivi” dell’Oceano Indiano o del Pacifico. C’è grande fermento, tanto entusiasmo: siamo pronti a ripartire!