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Alla scoperta della vita microbica nel sedimento delle profondità dei mari

Reading Time: 5 minutes

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livello medio
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ARGOMENTO: BIOLOGIA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: OCEANO PACIFICO
parole chiave: batteri, forme microbiche, abissi
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A quale profondità, sotto il fondo del mare, la temperatura sale  così tanto da rendere impossibile la vita microbica? Questa domanda è al centro di uno stretto sforzo di cooperazione scientifica tra l’Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia Marine-Earth (JAMSTEC) e MARUM – Centro per le scienze ambientali marine dell’Università di Brema.

Una spedizione del programma di perforazione IODP (International Ocean Discovery Program) nel 2016 aveva raccolto informazioni sui limiti di temperatura della vita sotto il fondo oceanico ed i risultati sono stati finalmente e pubblicati sulla rivista Science. I sedimenti che si trovano in profondità sotto il fondo dell’oceano presentano un habitat molto difficile. Sotto il sedimento la temperatura e la pressione aumentano costantemente con la profondità, mentre l’approvvigionamento energetico diventa sempre più scarso, creando delle condizioni ambientali che non dovrebbero permettere la vita. In realtà, contro questa logica, da una trentina di anni è stato scoperto che microrganismi possono essere in grado di sopravvivere nei fondali marini a profondità di diversi chilometri dalla superficie del mare.

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Dove sono i limiti della vita e quali fattori li determinano?
Gli scienziati ritengono che la temperatura ambiente potrebbe essere un fattore importante. I microrganismi termofili (amanti del calore) possono infatti sopravivere a temperature fino a 80 gradi Celsius. Inoltre, ci sono batteri ipertermofili e archaea che prosperano a temperature ancora più elevate, ma richiedono un elevato apporto di energia per mantenere le loro cellule. Ad esempio, in condizioni di laboratorio ideali, questi possono resistere a temperature fino a 122 gradi Celsius per un breve periodo di tempo.

Per studiare come le alte temperature influenzano la vita nella biosfera profonda, in habitat a bassa energia, è quindi necessario effettuare delle ricerche in acque profonde. “Solo pochi siti di perforazione scientifica hanno ancora raggiunto profondità in cui le temperature nei sedimenti sono superiori a 30 gradi Celsius“, spiega il leader dello studio, il Prof. Kai-Uwe Hinrichs di MARUM. “L’obiettivo della spedizione T-Limit, quindi, era di perforare un buco profondo mille metri nei sedimenti (oceanici) con una temperatura fino a 120 gradi Celsius – e ci siamo riusciti“.

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Effettuare tali perforazioni non è tecnologicamente semplice. Temperature di 120 gradi Celsius si trovano a circa 4.000 metri sotto il fondo del mare e, per ottenere campioni da profondità così grandi, ci vogliono navi da perforazione profonda come il Deep-Sea Scientific Drilling Vessel Chikyu. Per facilitare la perforazione in questo caso, è stata selezionata una posizione nel Nankai Trough al largo della costa del Giappone. Il sito di campionamento si trova in una profondità d’acqua di 4,8 chilometri ma, a causa del particolare gradiente geotermico, è stato possibile raggiungere una temperatura di 120 gradi Celsius in una perforazione profonda solo 1.180 metri. “Sorprendentemente, la densità della popolazione microbica è crollata a una temperatura di soli 45 gradi circa“, ha affermato un altro ricercatore, il Dr. Fumio Inagaki di JAMSTEC. A profondità così elevate coesistono alte concentrazioni di acetato e solfato e vi sono anche segni di metanogenesi ipertermofila. Questi dati forniscono una finestra affascinante in un ambiente estremo e inospitale che  supporta la vita microbica.

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Immagine 1: Micrografia a fluorescenza di cellule microbiche sottomarine profonde rilevate nel sito C0023. Le cellule sono state colorate con un colorante fluorescente verde SYBR Green I. Sopra: cellule microbiche separate da un campione di sedimento (43R-3) alla profondità di 652,0 ma 76 ° C. Sotto: una cellula microbica rilevata da un campione di sedimento (112R-2) alla profondità di 1176,8 ma 120 ° C (una cella al centro dell’immagine). La scala indica 20 micrometri (1/50 di millimetro). Credito: JAMSTEC / IODP

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È affascinante: nel fondale oceanico ad alta temperatura ci sono ampi intervalli di profondità quasi privi di vita. Ma poi siamo stati in grado di rilevare nuovamente le cellule e l’attività microbica in zone più profonde e ancora più calde, fino a una temperatura di 120 gradi “. Mentre la concentrazione di cellule vegetative diminuisce drasticamente a un livello inferiore a 100 cellule per centimetro cubo di sedimento ad oltre 50 gradi Celsius, la concentrazione di endospore aumenta rapidamente e raggiunge un picco a 85 gradi Celsius.

Le endospore sono cellule dormienti di alcuni tipi di batteri che possono riattivarsi e passare a uno stato vivo ogni volta che le condizioni sono di nuovo favorevoli.

Alcuni tipi specialistici sono in grado di adattarsi a queste gravi condizioni e persistere per periodi geologici in una sorta di sonno profondo“, ha continuato Inagaki.

Gran parte della ricerca per questo progetto è stata effettuata ai margini della fattibilità tecnica. “Negli ultimi vent’anni molte tecniche per l’individuazione della vita sono state migliorate, così che alcune sono ora fino a centomila volte più sensibili“, ha spiegato il Dr. Yuki Morono di JAMSTEC.

Per rilevare in modo affidabile la vita microbica scarsamente presente nei sedimenti a 50 gradi Celsius, è fondamentale prevenire la contaminazione. Pertanto, l’elaborazione dei campioni è stata monitorata utilizzando rigorosi controlli di contaminazione e, per lavori particolarmente critici, i campioni sono stati trasportati in elicottero ai laboratori delle camere bianche presso il laboratorio principale IODP a Kochi, in Giappone.

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La spedizione IODP 370 ha coinvolto la nave scientifica Chikyu per la perforazione in alto mare. Foto: JAMSTEC

Cooperazione internazionale
I risultati della spedizione 370 sono stati sorprendenti. “Mostrano che al confine inferiore della biosfera i limiti letali coesistono con le opportunità di sopravvivenza.” ha affermato la Dr. Verena Heuer di MARUM (coautrice dello studio). “… e questa nuova comprensione non sarebbe stata possibile senza un forte team interdisciplinare ed il suo spirito di collaborazione … “. Un team composto da ben 43 scienziati di 29 istituti diversi, in rappresentanza di nove paesi, che hanno lavorato insieme durante la Expedition 370 dell’International Ocean Discovery Program, IODP.

L’indagine sulla biosfera profonda è attualmente una delle ricerche più importanti del IODP che si avvale di scienziati multidisciplinari. “Questo lavoro rappresenta un importante passo avanti per il nostro lavoro nel Cluster, dove ci impegniamo per determinare i fattori che controllano l’estensione spaziale della biosfera profonda nel sottosuolo del fondo oceanico “. La comprensione di come la vita possa esistere in condizioni estreme apre nuovi orizzonti oltre il nostro pianeta, verso altri corpi celesti che potrebbero ospitare organismi simili.

Più informazioni sull’Official website della spedizione 370 del IODP
http://www.jamstec.go.jp/chikyu/e/exp370/index.html

 

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