Nuevos estudios confirman que el vulcanismo del Cretácico medio provocó la acidificación de los océanos
Hace casi 100 millones de años, la Tierra experimentó una perturbación ambiental extrema que ahogó el oxígeno de los océanos y condujo a elevados niveles de extinción marina que afectaron a todo el globo.
Ahora, en un par de nuevos estudios complementarios, dos equipos de geocientíficos dirigidos por la Universidad de Northwestern informan nuevos hallazgos sobre la cronología y el carácter de los acontecimientos que llevaron a este evento, conocido como Ocean Anoxic Event 2 (OAE2), que fue co-descubierto hace más de 40 años por el difunto profesor de Northwestern, Seymour Schlanger.
Mediante el estudio de microfósiles planctónicos conservados y sedimentos a granel extraídos de tres sitios en todo el mundo, el equipo recolectó evidencia directa que indica que la acidificación del océano ocurrió durante las primeras etapas del evento, debido a las emisiones de dióxido de carbono (CO2) de la erupción de masivos complejos volcánicos en el fondo del mar.
En uno de los nuevos estudios, los investigadores también proponen una nueva hipótesis para explicar por qué la acidificación de los océanos condujo a un extraño parpadeo de temperaturas más frías (denominado "Evento Plenus Cold"), que interrumpió brevemente el período de efecto invernadero, que de otro modo sería intensamente caluroso.
Al analizar cómo la afluencia de CO2 de los volcanes afectó la química, la biomineralización y el clima de los océanos, los investigadores esperan comprender mejor cómo responde la Tierra actual a un aumento de CO2 debido a las actividades humanas, lo que potencialmente podría conducir a soluciones para adaptarse y mitigar las consecuencias anticipadas.
Un artículo, con hallazgos de núcleos de aguas profundas, incluido un sitio recién perforado cerca del suroeste de Australia, se publicó hoy (19 de enero) en la revista Nature Geoscience. Un artículo complementario que detalla los hallazgos de antiguos microfósiles malformados se publicó el 13 de diciembre en la revista Nature Communications Earth & Environment.
Imagen: Una foto tomada por un dron del JOIDES Resolution en la Cuenca Mentelle, donde los científicos de Northwestern perforaron en busca de sedimentos antiguos. Crédito: Gabriele Tagliaro, Universidad de Sao Paulo
"La acidificación y la anoxia de los océanos fueron el resultado de la liberación masiva de CO2 de los volcanes", dijo Brad Sageman de Northwestern, coautor principal de ambos estudios. "Estos importantes eventos de emisión de CO2 en la historia de la Tierra brindan los mejores ejemplos que tenemos de cómo el sistema terrestre responde a entradas muy grandes de CO2. Este trabajo tiene una aplicabilidad fundamental para nuestra comprensión del sistema climático y nuestra capacidad para predecir lo que sucederá en el futuro".
"Con base en los análisis isotópicos del elemento calcio, proponemos una posible explicación para el Plenus Cold Event, que es que una desaceleración en las tasas de biocalcificación debido a la acidificación del océano permitió que la alcalinidad se acumulara en el agua de mar", dijo Andrew Jacobson de Northwestern, autor de ambos estudios.
"El aumento de la alcalinidad condujo a una extracción de CO2 de la atmósfera. Muy bien podría ser el caso de que tal enfriamiento sea una consecuencia predecible, pero transitoria, del calentamiento. Nuestros resultados para el OAE2 proporcionan un análogo geológico para la mejora de la alcalinidad del océano, que es una estrategia líder para mitigar la crisis climática antropogénica".
Expertos en clima durante el Período Cretácico y geoquímica de isótopos, Sageman y Jacobson son profesores de ciencias planetarias y de la Tierra en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. Los dos estudios fueron dirigidos por su ex estudiantes de doctorado, Gabriella Kitch y Matthew M. Jones, quienes iniciaron esta investigación mientras estaban en Northwestern.
Reconstrucción de las condiciones del Cretácico
Basado en más de 40 años de estudio, el OAE2 es una de las perturbaciones más significativas del ciclo global del carbono que ha ocurrido en el planeta Tierra. Los investigadores han planteado la hipótesis de que los niveles de oxígeno en los océanos cayeron tanto durante el OAE2 que aumentaron significativamente las tasas de extinción marina.
Para comprender mejor este evento y las condiciones que lo llevaron a él, los investigadores estudiaron antiguas capas de rocas sedimentarias ricas en carbono orgánico y fósiles en sitios de afloramientos ampliamente distribuidos, así como núcleos de aguas profundas obtenidos por el Programa Internacional de Descubrimiento de los Océanos (IODP) (financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y sus socios internacionales).
Los sitios incluían Gubbio, Italia (una zona famosa en la Italia continental que solía ser una cuenca oceánica profunda), la Western Interior Seaway (Vía Marítima Interior Occidental) (un antiguo lecho marino que se extiende desde el golfo de México hasta el océano Ártico en América del Norte) y varios sitios de aguas profundas, incluido uno nuevo del este del Océano Índico, frente a la costa del suroeste de Australia.
Imagen: Núcleo de sedimentos del Océano Índico oriental, frente a la costa del suroeste de Australia. Las rocas sedimentarias de colores más claros (abajo a la derecha) son ricas en microfósiles de carbonato depositados antes del evento de acidificación del océano, y las lutitas más oscuras (izquierda) representan el intervalo de tiempo cuando ocurrió la acidificación del océano. Estas piedras son más oscuras debido a la ausencia de microfósiles de carbonato causados por el agua de mar más corrosiva durante el evento de acidificación. Crédito: Matt Jones
Los núcleos de aguas profundas proporcionan un registro invaluable de las condiciones en partes de los paleo-océanos que eran completamente desconocidas antes del desarrollo de los programas de perforación oceánica. En los tres núcleos, los investigadores se centraron en secciones de mediados del período Cretácico, justo antes del límite de las edades Turoniano y Cenomaniano, para reconstruir las condiciones que condujeron al OAE2.
"La parte desafiante de estudiar la acidificación de los océanos en el pasado geológico es que no tenemos agua de mar antigua", dijo Jones, quien ahora es becario postdoctoral Peter Buck en la Institución Smithsonian. "Es extremadamente raro que encuentres algo que se parezca al agua de mar antigua atrapada en una roca o mineral. Entonces, tenemos que buscar evidencia indirecta, particularmente cambios en la química de las conchas fósiles y los sedimentos litificados".
Fósiles malformados
Para el estudio publicado en Communications Earth & Environment, Kitch y sus coautores se centraron en foraminíferos fosilizados, organismos unicelulares que habitan en el océano con una capa externa hecha de carbonato de calcio, que fueron recolectados en el sitio de Gubbio por un colaborador italiano, el profesor Rodolfo Coccioni en la Universidad de Urbino.
Kitch y sus colaboradores se sintieron atraídos por los especímenes de Gubbio porque las observaciones ópticas de Coccioni y las mediciones de sus conchas mostraron anomalías, incluido un patrón consistente de "enanismo" o una disminución en el tamaño general, que coincide con el inicio del OAE2.
"Estos son signos ópticos de estrés", dijo Kitch, quien ahora es miembro de Knauss en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. "Presumimos que el estrés podría haber sido causado por la acidificación del océano, que luego afectó la forma en que los organismos construyeron sus conchas".
Imagen: Imágenes de microscopio electrónico de barrido de diminutos foraminíferos planctónicos antiguos, recuperados de Gubbio, Italia. Crédito: Gabriela Kitch
Para probar esta hipótesis, Kitch analizó la composición de isótopos de calcio de los fósiles. Después de disolver las conchas fosilizadas y analizar su composición con un espectrómetro de masas de ionización térmica, el equipo de Northwestern observó que las proporciones de isótopos de calcio cambiaron en los especímenes malformados de una manera consistente con el estrés de la acidificación.
"Este es el primer artículo que une la evidencia isotópica de calcio para la acidificación con observaciones de indicadores biológicos de estrés", dijo Sageman, quien es codirector del Instituto de Sostenibilidad y Energía de Northwestern. "Son estas observaciones biológicas y geoquímicas independientes las que confirman que hubo un impacto en la biomineralización durante el inicio del OAE2".
'Relación de causa y efecto'
Para el segundo estudio, publicado en Nature Geoscience, Jones y sus coautores se centraron en núcleos de sedimentos litificados de aguas profundas de la costa suroeste de Australia, que él y sus colegas recolectaron en 2017 durante una expedición de IODP. Para esta pieza del rompecabezas, los investigadores estaban menos interesados en lo que había en el sedimento y más interesados en lo que faltaba notablemente en el sedimento.
El núcleo contiene montones de piedra caliza, ricos en minerales de carbonato de calcio, pero está interrumpido por una repentina ausencia de carbonato justo antes del OAE2.
"Para este intervalo de tiempo, encontramos que la calcita está ausente", dijo Jones. "No hay minerales de carbonato. Esta sección del núcleo es visiblemente más oscura; saltó directamente hacia nosotros. El carbonato se disolvió en el lecho marino o menos organismos estaban formando conchas de carbonato de calcio en el agua superficial. Es una observación directa de un evento de acidificación del océano".
En sus análisis geoquímicos realizados en colaboración con el profesor Dave Selby de la Universidad de Durham, Jones notó que el carbonato no era el único componente que mostraba un cambio significativo. Coincidiendo con el inicio del OAE2, también hay un marcado cambio en las proporciones de isótopos de osmio que indican una entrada masiva de osmio derivado del manto, la huella digital de un importante evento de vulcanismo submarino. Esta observación es consistente con el trabajo de muchos otros investigadores, que han encontrado evidencia de la erupción de una gran provincia ígnea (LIP) que precede al OAE2.
Estos eventos de actividad volcánica masiva ocurren a lo largo de la historia de la Tierra y se reconocen cada vez más como los principales agentes del cambio global. Muchos LIP eran submarinos e inyectaban toneladas de CO2 directamente en los océanos. Cuando el CO2 se disuelve en el agua de mar, forma un ácido débil que puede inhibir la formación de carbonato de calcio e incluso puede disolver caparazones y sedimentos de carbonato preexistentes.
"Justo al comienzo del OAE2, las proporciones de isótopos de osmio cambian a valores muy, muy bajos", dijo Jones. "La única forma en que eso puede suceder es a través de una gran erupción de provincia ígnea. Eso nos ayuda a establecer una relación de causa y efecto. Podemos ver la evidencia de que los volcanes estaban realmente activos porque los valores de osmio colapsaron. Entonces, de repente, no hay carbonato".
Información sobre el evento Plenus Cold
Si bien la acidificación del océano después de un LIP no es necesariamente sorprendente, el equipo de Northwestern descubrió algo inusual. Las condiciones ácidas durante el OAE2 duraron mucho más que otros eventos de acidificación ampliamente reconocidos en el mundo antiguo. Jones postula que la falta de oxígeno en las aguas del océano puede haber prolongado el estado de acidificación.
"Los organismos que consumieron plancton y materia orgánica en la columna de agua durante el OAE2 también estaban respirando CO2, lo que contribuyó a la acidificación del océano que inicialmente fue provocada por la emisión de CO2 de la actividad volcánica LIP", dijo Jones.
"Entonces, la anoxia marina puede ser una "retroalimentación positiva" sobre la acidificación del océano. Eso es importante porque el océano global de hoy, además de tener sus niveles de pH disminuidos, también está perdiendo contenido de oxígeno. Eso sugiere que la disminución de oxígeno puede prolongar la acidificación y destaca que los dos fenómenos están estrechamente relacionados".
En el estudio de Kitch, descubrió que la biología desempeñó otro papel durante el evento. El calentamiento global y la acidificación de los océanos no solo afectaron pasivamente a los foraminíferos. Los organismos también respondieron activamente al reducir las tasas de calcificación al construir sus conchas. A medida que la calcificación se desaceleró, los foraminíferos consumieron menos alcalinidad del agua de mar, lo que ayudó a amortiguar la creciente acidez del océano. Esto también aumentó la capacidad del océano para absorber CO2, lo que podría desencadenar el evento Plenus Cold.
"Llamamos a esta fase un 'período de invernadero' porque las temperaturas eran muy, muy cálidas", dijo Kitch. "Sin embargo, hay evidencia de un enfriamiento relativo durante el intervalo OAE2. Nadie ha podido explicar por qué ocurrió este enfriamiento. Nuestro estudio muestra que al disminuir la producción de carbonato en el océano, en realidad aumenta la alcalinidad, lo que le da al océano una capacidad de amortiguación para absorber CO2. De repente, el océano tiene la capacidad de extraer CO2 y equilibrar los flujos de carbono".
La estabilización 'tiene un costo'
Pero solo porque un breve enfriamiento interrumpió este período de invernadero, los investigadores advierten que la capacidad natural de los océanos para amortiguar el CO2 no es la respuesta al cambio climático actual causado por el hombre. Sageman explica el escenario comparando el cambio climático con el cáncer.
"Es como si un paciente tuviera cáncer y el cáncer desapareciera durante un mes", dijo Sageman. "Pero luego volvió y mató al paciente. No se deje engañar pensando que el océano nos refrescará y que todo estará bien. Fue genial por un pequeño lapso de tiempo".
"Aunque la Tierra se recuperó y se curó a sí misma, las extinciones en el ámbito marino ayudaron a lograrlo", agregó Jacobson. "La Tierra tiene algunas retroalimentaciones estabilizadoras, pero tienen un costo".
Referencias:
• Abrupt episode of mid-Cretaceous ocean acidification triggered by massive volcanism
• Calcium isotope ratios of malformed foraminifera reveal biocalcification stress preceded Oceanic Anoxic Event 2
