1 Università degli Studi di Padova Dipartimento di Geoscienze Corso di laurea triennale in Scienze Geologiche Prova finale 17 Settembre 2014 Anno Accademico 2013/2014 Candidata: Ingrid Urban Matricola: Relatore: Dott. Nereo Preto Correlatore: Dott. Jacopo Dal Corso

2 Variabilità del rapporto isotopico δ ¹³C in resine attuali e confronto con resine fossili (ambre) Carbon – isotope variability (δ ¹³C) in recent resins, as compared with fossil resins (ambers)

Argomenti trattati I processi fotosintetici nelle pianteI processi fotosintetici nelle piante Tecnica analitica e risultatiTecnica analitica e risultati Calcolo del δ ¹³C atmosfericoCalcolo del δ ¹³C atmosferico Confronto con lavori precedentiConfronto con lavori precedenti ConclusioniConclusioni

4 Obbiettivi del lavoro Confrontare i valori del δ ¹³C di un set di campioni di resine attuali con quelli ottenuti da ambre. Confrontare i valori del δ ¹³C di un set di campioni di resine attuali con quelli ottenuti da ambre. (I risultati delle analisi su ambre sono tratti dal lavoro di Dal Corso et al., 2011) (I risultati delle analisi su ambre sono tratti dal lavoro di Dal Corso et al., 2011) Verificare il potenziale delle resine attuali per ricostruire la composizione isotopica atmosferica attuale. Verificare il potenziale delle resine attuali per ricostruire la composizione isotopica atmosferica attuale.

5 Processi fotosintetici Nel corso della loro storia evolutiva, le piante si sono distinte in tre macrogruppi a seconda degli enzimi coinvolti nel processo di fotosintesi. Quest’ aspetto si è rivelato fondamentale nel meccanismo di frazionamento del carbonio atmosferico.

6 Piante C3 Gruppo metabolico predominante dal Devoniano. Gruppo metabolico predominante dal Devoniano. Sfrutta l’ enzima Rubisco, che produce un composto organico a tre molecole a partire dalla CO 2 atmosferica. Sfrutta l’ enzima Rubisco, che produce un composto organico a tre molecole a partire dalla CO 2 atmosferica. Le piante di questa tipologia sono diffuse a tutte le latitudini e comprendono il 90% di tutte le piante terrestri. Le piante di questa tipologia sono diffuse a tutte le latitudini e comprendono il 90% di tutte le piante terrestri. Composizione isotopica media: -25‰ circa Composizione isotopica media: -25‰ circa Immagine: Cedro dell’ Himalaya (Cedrus Deodara) da

7 Piante C4 Gruppo metabolico comparso a partire dal tardo Miocene. Gruppo metabolico comparso a partire dal tardo Miocene. Sfrutta l’ enzima PEP per frazionare la CO 2 atmosferica. Sfrutta l’ enzima PEP per frazionare la CO 2 atmosferica. Le piante di questa tipologia sono diffuse alle basse e medie latitudini e comprendono piante delle regioni calde, mais e canna da zucchero. Le piante di questa tipologia sono diffuse alle basse e medie latitudini e comprendono piante delle regioni calde, mais e canna da zucchero. Composizione isotopica media: -10‰ circa Composizione isotopica media: -10‰ circa Immagine: canna da zucchero (Saccharum officinarum L.) da

8 Piante CAM Sfruttano l’ enzima CAM per frazionare la CO 2 atmosferica. Viene considerato un meccanismo evolutivo molto efficace in condizioni di penuria d’ acqua. Sfruttano l’ enzima CAM per frazionare la CO 2 atmosferica. Viene considerato un meccanismo evolutivo molto efficace in condizioni di penuria d’ acqua. Si tratta di piante di ambiente arido (piante grasse e succulente). Si tratta di piante di ambiente arido (piante grasse e succulente). Si ritiene che l’ ipotetica serie evolutiva si sia sviluppata prima con le piante C3, poi con le CAM ed infine con le C4. Si ritiene che l’ ipotetica serie evolutiva si sia sviluppata prima con le piante C3, poi con le CAM ed infine con le C4. Composizione isotopica mista tra C3 e C4 Composizione isotopica mista tra C3 e C4 Immagine: famiglia delle cactacee (Cereus peruvianus (L.) Miller) da

9 Distribuzione globale dei gruppi C3 e C4 Le piante C3 sono le più comuni e diffuse. Costituiscono il gruppo più antico, presente dal Paleozoico.

10 Condizioni che influenzano il frazionamento nelle piante C3 Oltre al processo di fotosintesi, altri fattori determinano il frazionamento del carbonio atmosferico da parte delle piante C3. Ad esempio:  Diversità tra le specie  Latitudine  Esposizione al sole, con differenze tra parti di una stessa pianta  Apertura variabile degli stomi dovuta alle diverse condizioni climatiche

11 Fattori ambientali coinvolti nel frazionamento delle piante C3

12 Formula di Farquhar per le piante C3 (da Farquhar et al., 1989) δ ¹³Cplant = δ ¹³Catm – a – (b-a) * (pi / pa) δ ¹³C plant è la composizione isotopica del carbonio nelle piante C3 δ ¹³C atm è la composizione isotopica della CO 2 atmosferica a descrive il frazionamento fisico durante la diffusione della CO 2 dall’ atmosfera nelle foglie b descrive il frazionamento biochimico ad opera dell’ enzima Rubisco p i / p a rappresenta il rapporto tra le pressioni parziali della CO 2 intercellulare ed ambientale; è regolato dall’ apertura (conductance) degli stomi e dall’ attività enzimatica

Formula empirica di Arens per le piante C3 (da Arens et al., 2000) δ ¹³Ca = (δ ¹³Cp + 18,67) / 1,10 δ ¹³Ca è la composizione isotopica della CO 2 atmosferica δ ¹³Cp è la composizione isotopica del carbonio nelle piante C3

Materiali Abbiamo analizzato la composizione isotopica del carbonio di un set di 49 campioni di resine attuali di piante C3 provenienti da diverse aree geografiche. Le resine sono state campionate a Padova da Guido Roghi, Eugenio Ragazzi e Jacopo Dal Corso. Il resto dei campioni è stato fornito da Alexander Schmidt (Università di Goettingen, Germania).

15 Preparazione dei campioni Macinatura con il mortaio d’ agata. Pesatura di una quantità di campione compresa tra 0,028 e 0,075 mg con una bilancia a sei cifre decimali (precisione al millesimo di mg). Immagine a tratta da Immagine b tratta da a b

16 Spettrometro di massa (IRMS) I campioni sono stati in seguito analizzati allo spettrometro di massa (IRMS). Immagine:

17 Risultati Minimo: -22,8 ‰ Massimo: -29,9 ‰ Media aritmetica: -27,0 +- 1,7 ‰ (1  ) Numero di campioni: 49 δ ¹³C FrequenzaFrequenza

18 Valori di δ ¹³C ottenuti distinti per genere Legenda: 1: Abies 5: Acacia 2: Pinus 6: Cedrus 3: Araucaria 7: Picea 4: Aghatis 8: Cupressus

Valori di δ ¹³C ottenuti distinti per latitudine

Confronto con piante C3 e C4 δ ¹³C resins FrequenzaFrequenza Tratto da Cerling & Harris, 1999 I nostri dati rientrano nel range delle composizioni isotopiche delle piante C3 proposto dai due autori.

Valori del δ ¹³C atmosferico attuale La considerazione della slide precedente ci autorizza a ricavare la composizione isotopica attuale della CO 2 atmosferica tramite la formula di Arens, utilizzando i risultati ottenuti. δ ¹³Ca = (δ ¹³Cp + 18,67) / 1,10

Valore del δ ¹³C atmosferico ricavato: -7,6 +- 1,6 ‰ (1  ) Valore del δ ¹³C atmosferico registrato presso la stazione di La Jolla Pier, California l’ 8/10/2012: -8,2320 ‰ (Il dato è tratto da www. scrippsco2.ucsd.edu)

23 Confronto tra resine ed ambre triassiche δ ¹³Cresins FrequenzaFrequenza FrequenzaFrequenza δ ¹³Cambers Dal Corso et al., 2011 Nostro lavoro

24 Conclusioni 1)Il confronto con il lavoro di Cerling & Harris, 1999 dimostra come le resine attuali risultino essere un ottimo strumento per ricostruire la composizione isotopica atmosferica attuale. 2)Il valore del δ ¹³C atmosferico attuale ricavato a partire dalle resine attuali è compatibile con i valori effettivamente misurati. 3)Dal raffronto tra resine attuali ed ambre si può dimostrare che entrambi i dataset presentano lo stesso range di variabilità.

25 Bibliografia Cerling TE, Quade, J Stable carbon and oxygen isotopes in soil carbonates. In Climate Change in Continental Isotopic Records, ed. JA McKenzie, S Savin, Geophys.Monogr. 78:217– 31. Washington, DC: Am. Geophys. Union Groecke, D.R. (1998). Carbon-isotope analysis of fossil plants as a chemostratigraphic and palaeoenvironmental tool. Lethaia, 31, Cerling TE, Harris, JM, Leakey, MG Browsing and grazing in elephants: the isotope record of modern and fossil proboscideans. Oecologia 120:364–74 Arens, N.C., Jahren, A. H., Amundson, R., Can C3 Plants Faithfully Record the Carbon Isotopic Composition of Atmospheric Carbon Dioxide? Paleobiology, 26, Tipple, B.J., Pagani, M., The Early Origins of Terrestrial C4 Photosynthesis. Annual Review of Earth and Planetary Science 35, Dal Corso, J., Preto, N., Kustatscher, E., Mietto, P., Roghi, G., Jenkins, H.C., Carbon – isotope variability of Triassic amber, as compared with wood and leaves (Southern Alps, Italy). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 302,

26 Sitografia www. scrippsco2.ucsd.edu