La temperatura de un planeta está relacionada con la diversidad de vida que puede soportar. Los geólogos del MIT ahora han reconstruido una línea de tiempo de la temperatura de la Tierra durante la era Paleozoica temprana, hace entre 510 y 440 millones de años, un período crucial en el que los animales se volvieron abundantes en un mundo previamente dominado por microbios.

En un estudio que aparece hoy en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , los investigadores trazan caídas y picos en la temperatura global durante el Paleozoico temprano. Informan que estas variaciones de temperatura coinciden con la cambiante diversidad de vida del planeta:los climas más cálidos favorecieron la vida microbiana, mientras que las temperaturas más frías permitieron que florecieran animales más diversos.

El nuevo récord, más detallado que las líneas de tiempo anteriores de este período, se basa en el análisis del equipo de lodos carbonatados, un tipo común de piedra caliza que se forma a partir de sedimentos ricos en carbonatos depositados en el lecho marino y compactados durante cientos de millones de años.

"Ahora que hemos demostrado que puede utilizar estos lodos carbonatados como registros climáticos, que abre la puerta a mirar hacia atrás a toda esta otra parte de la historia de la Tierra donde no hay fósiles, cuando la gente no sabe mucho sobre el clima, "dice el autor principal Sam Goldberg, estudiante de posgrado en el Departamento de Tierra del MIT, Atmosférico, y Ciencias Planetarias (EAPS).

Los coautores de Goldberg son Kristin Bergmann, el D. Reid Weedon, Profesor Jr. de desarrollo profesional en EAPS, junto con Theodore Present de Caltech y Seth Finnegan de la Universidad de California en Berkeley.

Más allá de los fósiles

Para estimar la temperatura de la Tierra hace muchos millones de años, los científicos analizan fósiles, en particular, restos de antiguos organismos con caparazón que se precipitaron del agua de mar y crecieron o se hundieron en el lecho marino. Cuando ocurre la precipitación, la temperatura del agua circundante puede cambiar la composición de las conchas, alterar las abundancias relativas de dos isótopos de oxígeno:oxígeno-16, y oxígeno-18.

"Como ejemplo, si el carbonato precipita a 4 grados Celsius, más oxígeno-18 termina en el mineral, de la misma composición inicial de agua, [en comparación con] el carbonato que se precipita a 30 grados Celsius, "Bergmann explica." Entonces, la proporción de oxígeno-18 a -16 aumenta a medida que se enfría la temperatura ".

De este modo, Los científicos han utilizado conchas de carbonato antiguas para rastrear la temperatura del agua de mar circundante, un indicador del clima general de la Tierra, en el momento en que las conchas se precipitaron por primera vez. Pero este enfoque ha llevado a los científicos hasta ahora, hasta los primeros fósiles.

"Hay alrededor de 4 mil millones de años de historia de la Tierra donde no había conchas, y así las conchas solo nos dan el último capítulo, "Dice Goldberg.

Una señal de isótopos agrupados

La misma reacción de precipitación en las conchas también ocurre en el lodo carbonatado. Pero los geólogos asumieron que el equilibrio de isótopos en los lodos carbonatados sería más vulnerable a los cambios químicos.

"La gente a menudo ha pasado por alto el barro. Pensaron que si intenta utilizarlo como indicador de temperatura, es posible que no esté mirando la temperatura original del océano en la que se formó, pero la temperatura de un proceso que ocurrió más tarde, cuando el barro fue enterrado a una milla debajo de la superficie, "Dice Goldberg.

Para ver si los lodos carbonatados pueden conservar firmas de su temperatura circundante original, el equipo utilizó "geoquímica de isótopos agrupados, "una técnica utilizada en el laboratorio de Bergmann, que analiza sedimentos para aglutinar, o maridaje, de dos isótopos pesados:oxígeno-18 y carbono-13. La probabilidad de que estos isótopos se emparejen en los lodos carbonatados depende de la temperatura, pero no se ve afectada por la química del océano en la que se forman los lodos.

La combinación de este análisis con las mediciones tradicionales de isótopos de oxígeno proporciona restricciones adicionales sobre las condiciones que experimenta una muestra entre su formación original y la actual. El equipo razonó que este análisis podría ser una buena indicación de si los lodos carbonatados permanecieron sin cambios en su composición desde su formación. Por extensión, esto podría significar que la proporción de oxígeno-18 a -16 en algunos lodos representa con precisión la temperatura original a la que se formaron las rocas, permitiendo su uso como registro climático.

Subidas y bajadas

Los investigadores probaron su idea en muestras de lodos carbonatados que extrajeron de dos sitios, uno en Svalbard, un archipiélago en el Océano Ártico, y el otro en el oeste de Terranova. Ambos sitios son conocidos por sus rocas expuestas que datan de la era Paleozoica temprana.

En 2016 y 2017, los equipos viajaron primero a Svalbard, luego Terranova, recolectar muestras de lodos carbonatados de capas de sedimentos depositados que abarcan un período de 70 millones de años, desde el Cámbrico medio, cuando los animales comenzaron a florecer en la Tierra, a través de los períodos del Ordovícico de la era Paleozoica.

Cuando analizaron las muestras en busca de isótopos agrupados, encontraron que muchas de las rocas habían experimentado pocos cambios químicos desde su formación. Utilizaron este resultado para compilar las proporciones de isótopos de oxígeno de las rocas de 10 sitios diferentes del Paleozoico temprano para calcular las temperaturas a las que se formaron las rocas. Las temperaturas calculadas en la mayoría de estos sitios fueron similares a los registros de temperatura fósil de menor resolución publicados anteriormente. En el final, trazaron un mapa de una línea de tiempo de temperatura durante el Paleozoico temprano y lo compararon con el registro fósil de ese período, para mostrar que la temperatura tuvo un gran efecto en la diversidad de la vida en el planeta.

"Descubrimos que cuando hacía más calor al final del Cámbrico y principios del Ordovícico, también hubo un pico en la abundancia microbiana, "Dice Goldberg." A partir de ahí se enfrió yendo hacia la mitad del Ordovícico tardío, cuando vemos abundantes fósiles de animales, antes de que una edad de hielo sustancial acabe con el Ordovícico. Anteriormente, la gente solo podía observar tendencias generales utilizando fósiles. Porque usamos un material que es muy abundante, podríamos crear un registro de mayor resolución y podríamos ver altibajos más claramente definidos ".

El equipo ahora está buscando analizar lodos más antiguos, que se remonta a antes de la aparición de los animales, para medir los cambios de temperatura de la Tierra antes de hace 540 millones de años.

"Para remontarnos más allá de hace 540 millones de años, tenemos que lidiar con los lodos carbonatados, porque son realmente uno de los pocos registros que tenemos para restringir el clima en el pasado distante, "Dice Bergmann.