Lam Laura Gulfi 4D la vita attorno alle bocche idrotermali

LA VITA ATTORNO ALLE BOCCHE
IDROTERMALI
LE RICADUTE DELLO STUDIO DI QUESTE
COMUNITÀ BIOLOGICHE
Lavoro di maturità in biologia e geografia
LAURA GULFI
Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
1 Scelta del tema e obbiettivi del Lavoro di Maturità
1.1 Scelta del tema
Paesaggi immersi nella più densa oscurità velati da cortine di cenere vulcanica, profili di
misteriose città sommerse create dai prodotti della crosta oceanica, fitte distese di vermi
tubiformi simili a foreste ed enormi creature marine adattate alle più difficili condizioni
ambientali. Ambienti incredibili e inesplorati, ancor meno conosciuti e studiati delle aliene
distese della superficie di Marte, simili a quelli evocati nell’affascinante opera di Jules Verne,
“Ventimila leghe sotto i mari”.
Sono queste ed altre immagini che fin dalle primissime fasi del lavoro mi hanno affascinata ed
attratta, nonostante fossero per me un ambito di studio del tutto sconosciuto e mi hanno
spinta a compiere ulteriori ricerche per approfondire le mie conoscenze sul tema. Le ricerche
preliminari mi hanno ulteriormente coinvolta. I resoconti delle prime spedizioni nelle profondità
marine sono assolutamente incredibili e scorrendo le varie pagine mi sono sentita molto
vicina ai primi esploratori. In particolare mi hanno colpita lo stupore dei ricercatori di fronte
alla scoperta di ecosistemi sviluppatisi accanto a fumarole sottomarine, là dove nessuno
avrebbe mai ipotizzato vi potesse essere vita. Ed effettivamente è stupefacente come
un’intera comunità di organismi possa essersi sviluppata in tali condizioni ambientali, a
temperature altissime, incredibili profondità e in totale assenza di luce solare.
È in seguito a queste letture che ho deciso di porre al centro del mio lavoro di maturità lo
studio degli incredibili ecosistemi sviluppatisi sui fondali marini, ai margini di bocche
idrotermali, ponendo l’accento sui risvolti dello di queste comunità biologiche. Fin dalle prime
ricerche infatti sono emersi aspetti particolarmente interessanti riguardo allo sviluppo degli
studi di queste comunità che coinvolgono numerosi campi di studio come la medicina, le
biotecnologie o le teorie sviluppate sulla nascita della vita sulla terra. Questi sviluppi sono il
chiaro esempio di come lo studio del nostro pianeta non risponde unicamente ad un bisogno
di conoscenza dell’uomo, ma ha anche delle importanti implicazioni che ci permetteranno di
conoscere meglio noi stessi, il pianeta su cui viviamo e addirittura come vedremo, lo spazio
che ci circonda.
Figura 1
2
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La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
1.2 Gli obbiettivi
Durante il mio lavoro di maturità fornirò dunque una visione generale di queste comunità
biologiche a partire dalle condizioni geografiche, chimiche e fisiche per meglio comprendere
le caratteristiche di questi ambienti e cogliere appieno quanto sia straordinaria la presenza di
vita in un ambiente tanto inospitale. Passerò dunque a caratterizzare gli esseri viventi che
compongono queste comunità e soprattutto approfondirò il meccanismo della chemiosintesi
che permette l’esistenza di tutti gli altri organismi. Questo processo è praticato da particolari
batteri chemiosintetici che con i prodotti di scarto di questo processo sostengono un’intera
comunità biologica, di cui presenterò la struttura generale.
Infine cercherò di approfondire gli aspetti riguardanti le possibili ricadute dello studio di questi
organismi,nonostante una certa scarsità di informazioni dovuta alla grande attualità della
ricerca, che è tuttora in corso. Cercherò di approfondire come lo studio di un’insieme di
organismi che vivono in uno degli angoli più remoti del globo possano rivelarsi preziosi per lo
sviluppo di medicinali volti alla cura di alcune gravi malattie, aiutare gli scienziati a teorizzare
nuove ipotesi sulla nascita della vita sulla terra e perfino aiutarli a localizzare possibili forme di
vita extraterrestri.
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2 La scoperta delle bocche idrotermali
Attorno ad un tema tanto affascinante che
riguarda zone così remote della terra una
domanda sorge spontanea: cosa portò alla
scoperta delle bocche idrotermali e delle
comunità biologiche che si sono sviluppate
nelle loro vicinanze?
La posizione di questi ecosistemi li rende infatti
estremamente difficili non solo da raggiungere,
ma anche da immaginare. Le incredibili
profondità e le enormi pressioni ritardarono di
molto l’esplorazione delle profondità marine,
che iniziarono solamente attorno agli anni ’30
con William Beebe (1877-1962) e Otis Barton
(1899-1922), due ricercatori della New York
Zoological Society, che svilupparono la batisfera,
Figura 2
una precursore del sottomarino. Nel 1934 i due William Beebe e Otis Barton di fronte alla batisfera.
scienziati si spinsero all’incredibile profondità di
1071 durante l’esplorazione delle profondità nei pressi delle coste delle Bermuda, registrando
la presenza di incredibili forme di vita mai osservate prima.
La ricerca continuò, ma ci vollero diverse decine di anni perché ci fossero altre grandi
innovazioni. Il prossimo passo verso l’esplorazione degli abissi oceanici è merito di Auguste
Piccard (1884-1962), scienziato svizzero appartenente alla famiglia Piccard famosa per gli
importanti contributi dati alla scienza da molti dei suoi membri, che ideò e costruì il batiscafo.
Costruito secondo il principio della mongolfiera, riempito cioè di petrolio liquido più leggero
dell’acqua, il batiscafo è molto più manovrabile rispetto alla batisfera e rappresentò un
importante innovazione nelle tecnologie relative all’esplorazione marina. Con l’aiuto del figlio
Jacques, Piccard dopo molte ricerche costruì il Trieste, il batiscafo che segnò ben due record
mondiali di profondità: il primo di 3687.81m, stabilito dallo stesso Auguste nel 1953 nelle
profondità del Mediterraneo, il secondo di ben 12780.6
m il 23 gennaio del 1960, quando raggiunse il punto
più profondo della Fossa delle Marianne e dunque di
tutti gli oceani, questa volta al servizio della marina
statunitense alla quale Piccard aveva venduto il suo
batiscafo due anni prima.
Leggendo queste righe si noterà che non vi sono
accenni alle bocche idrotermali o simili, fino a questo
momento infatti, l’esplorazione degli oceani si
concentrava soprattutto sull’obbiettivo di raggiungere
sempre maggiori profondità. Per avvicinarsi alla
scoperta delle fumarole dobbiamo introdurre una
seconda ricerca avviatasi attorno agli anni ’60, che
unita alla continuo miglioramento dei record di
Figura 3
immersione
porterà gli scienziati al grande
Il batiscafo Trieste.
ritrovamento.
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In questo periodo infatti la comunità internazionale dei geologi marini stava sviluppando delle
teorie sulla localizzazione delle zone di maggior rilascio di calore sul fondo degli oceani. Si
pensava infatti che le zone più calde dovessero trovarsi nelle vicinanze dei vulcani
sottomarini, ma le misurazioni pratiche contraddicevano questa teoria riportando temperature
molto minori rispetto a quelle attese. Fu così che nei primi anni ‘70 venne per la prima volta
ipotizzata la presenza di geyser sottomarini, le fumarole appunto, attraverso le quali il calore
non registrato dalle sonde doveva essere fuoriuscito una volta trasferito all’acqua. Tuttavia
nessuno aveva mai visto una bocca idrotermale e non vi erano prove tangibili della loro
effettiva esistenza. Fino a questo momento questa ipotesi rimaneva una teoria non
dimostrata.
A questo punto le due ricerche si incontrano e intrecciano. Nel 1977 tre sottomarini, fra cui
l’Alvin, il sottomarino più famoso della storia dell’oceanografia per la quantità di spedizioni e di
scoperte effettuate, si immersero nei pressi delle Galapagos e occhi umani videro per la
prima volta delle bocche idrotermali. Ma la vera scoperta, con sorpresa di tutti, non fu la
conferma della teoria sulla presenza di bocche idrotermali, ma la scoperta di una vastissima
comunità di esseri viventi del tutto inaspettata che lasciò i ricercatori senza fiato.
Molto coinvolgenti sono le testimonianze di quei ricercatori che vissero l’incredibile
esperienza della scoperta:
“Letteralmente ogni organismo che compariva era qualcosa di sconosciuto per la scienza
fino a quel momento. Era incredibilmente eccitante. Qualunque cosa venisse fuori dal cestino
era una nuova scoperta” 1.
“Abbiamo tutti iniziato a saltare su e giù. Stavamo ballando dalla gioia. Era il caos. Era così
completamente nuovo e inaspettato che ognuno lottava per immergersi [con l’Alvin]. C’era
così tanto da imparare. Era una crociera della scoperta. Era come essere Colombo”.2
Quella spedizione cambiò l’oceanografia. Non solo permise di chiarire meccanismi come la
circolazione dei minerali negli oceani e la provenienza di numerose correnti, ma soprattutto
sconvolse il mondo dei biologi marini, che dovettero rivalutare totalmente il loro approccio nei
confronti delle profondità. Fu un incredibile sconvolgimento che rivoluzionò lo studio degli
oceani e che permise di fare luce su molti loro misteri.
È proprio questo tema che tratterò durante questo lavoro. Illustrerò le caratteristiche
principali di questi ecosistemi nell’ottica di comprendere meglio come una tale scoperta possa
aver rivoluzionato non solo la biologia marina, ma anche le biotecnologie, la bioastronomia e
anche
l’archeologia.
1
2
Richard Lutz università di Rutgers
“Literally every organism that came up was something that was unknown to science up until that time. It
made it terribly exciting. Anything that came [up] in that basket was a new discovery (Libera traduzione)
Dal sito http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/02galapagos/background/history/history.html
11.09.2010
John Edmond Istituto tecnologico del Massachusetts
”We all started jumping up and down. We were dancing off the walls. It was chaos. It was so completely
new and unexpected that everyone was fighting to dive [in Alvin]. There was so much to learn. It was a
discovery cruise. It was like Columbus,”. ( Libera traduzione).
Dal sito http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/02galapagos/background/history/history.html
11.09.2010
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3 Caratteristiche geografiche, chimiche e fisiche
Per meglio comprendere e studiare le comunità biologiche che vivono attorno alle bocche
idrotermali, è estremamente utile approfondire le condizioni ambientali nella quale si sono
sviluppate. La particolarità e l’unicità di questi ecosistemi infatti, è dovuta in particolare
all’adattamento di questi esseri viventi alle condizioni ambientali particolarmente difficili, che li
hanno resi tanto unici. Le condizioni ambientali influiscono enormemente su queste comunità
a vari livelli,ad esempio variazioni delle dinamiche che coinvolgono le dorsali oceaniche
influenzano il substrato su cui si sviluppa la fauna delle bocche idrotermali. Cambiamenti a
livello regionale invece, modificano le correnti colpendo gli stati larvali di molti invertebrati,
mentre mutamenti locali modificano l’intensità delle fuoriuscite delle singole bocche e la
distribuzione dei fluidi a basse temperature. È importante dunque approfondire la conoscenza
delle condizioni ambientali che circondano e condizionano queste comunità per poter fornire
un quadro generale più completo.
3.1 Nascita e struttura delle bocche idrotermali
Le bocche idrotermali attorno alle quali si organizzano le comunità biologiche sono delle
strutture particolari che hanno origine da attività vulcaniche della crosta oceanica. Il letto degli
oceani infatti, è solcato da lunghe catene montuose, dette dorsali oceaniche (1),
conseguenza dei movimenti delle placche tettoniche della croste terrestre che a seconda dei
flussi che le trasportano possono scontrarsi, formando ad esempio catene montuose,
separarsi, creando nuovi continenti o scorrere l’una lungo l’altra. Queste catene montuose
sono il punto in cui nasce continuamente nuova crosta oceanica. Mossa dal magma
sottostante e dalle forze delle stesse placche tettoniche (3), la crosta oceanica si separa,
creando profonde fenditure . Dalle profondità dell’astenosfera (2), la parte più profonda del
mantello,sale quindi materiale magmatico e rocce basaltiche che raffreddandosi rapidamente
a contatto con l’acqua vanno a formare più o meno velocemente a seconda della zona
considerata, un nuovo strato di crosta oceanica . Questo meccanismo permette la creazione
delle catene montuose sottomarine alte anche 1500-2000 metri che si calcola coprono in tutto
75'000 chilometri.
Figura 4
Sezione schematica, che mostra il meccanismo delle tettonica a zolle.
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Lungo queste strutture montuose sottomarine si vengono a creare particolari fenomeni come
camini e fumarole nere, fumarole bianche e altri fenomeni come gli “alveari” di cui qui non ci
occuperemo. Queste strutture sono create dalla fuoriuscita di sostanze chimiche disciolte in
acqua (in particolare zolfo) da depositi presenti nella crosta oceanica appena creata, che
fuoriescono attraverso semplici camini oppure attraverso strutture più ampie e complesse. La
struttura può essere ricondotta a quella di un geyser terrestre. Le più semplici fra queste
strutture sono camini di forma cilindrica, tipici in particolare delle bocche idrotermali della
zona est dell’Oceano Pacifico.
I camini si creano quando l’acqua marina penetra nelle profondità attraverso le spaccature
formatesi a causa dell’attività vulcanica, acquistano calore, raggiungendo temperature di
anche di 500°C, e sostanze minerali dalla crosta oc eanica diventando un composto di acidi
fluidi costituito in particolare da zolfo e metalli fra cui ferro, zinco e rame. L’acqua risale poi
rapidamente verso la superficie e quando questo composto bollente e ricco di minerali arriva
a contatto con la fredda e alcalina acqua marina circostante, avviene una reazione per la
Figura 5
Schema della struttura di un camino idrotermale.
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quale i composti di zolfo e metallo a precipitano in strutture simili a fiocchi neri, da qui il nome
di fumarole nere. I camini crescono accumulando strati del composto fino a raggiungere
altezze di 10 o 20 metri e sviluppano molteplici aperture sulla cima a dipendenza della
temperatura di uscita ell’acqua.
Altri tipi di strutture si vengono a formare seguendo lo stesso meccanismo, ma in presenza di
condizioni diverse. Ad esempio a temperature minori (tra i 100 e i 300 °C) e in presenza
silicio, barite e anidride carbonica la reazione chimica che si verifica crea delle particelle
bianche che cadono in un precipitato biancastro dando alla luce le “fumarole bianche”, così
chiamate per via della loro colorazione. Allo stesso modo a seconda di temperature e
sostanze coinvolte si creano strutture differenti secondo allo stesso principio, le sostanze
combinate a contatto con l’acqua creano varie strutture con diversi tipi di sfoghi.
È in questo tipo di ambiente ad alte temperature e ricco di sostanze chimiche disciolte
nell’acqua che si sono sviluppate le comunità biologiche delle bocche idrotermali.
3.2 Posizione geografica delle bocche idrotermali
Le bocche idrotermali si situano lungo le dorsali oceaniche in cui le placche tettoniche si
separano dando alla luce nuova crosta terrestre.
Figura 6
L’immagine mostra le aree della crosta oceanica lungo le quali si snoda la dorsale oceanica.
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Attualmente le bocche idrotermali più studiate sono indubbiamente quelle posizionate sulla
porzione di dorsale oceanica che costeggia la costa ovest del continente americano (1) e di
quella dell’Atlantico nord-occidentale (2). Questa scelta è dovuta ai notevoli costi delle
spedizioni scientifiche che hanno lo scopo di studiare le profondità marine, motivo per il quale
i paesi impegnati nella ricerca di comunità biologiche legate alle profondità, in particolare gli
Stati Uniti, hanno concentrato le loro ricerche nei pressi della costa ovest, molto vicina alla
faglia dell’est del Pacifico che addirittura affiora nei territori della California. Questo
presupposto deve essere tenuto presente per la valutazione dei dati forniti dalle varie fonti.
Visto che le condizioni geologiche ed ecologiche fra i due bacini cambiano, la maggior parte
dei dati presentati si adattano alle bocche idrotermali del centro dell’oceano Pacifico e di
quello Atlantico, ma potrebbero non essere valide per le bocche idrotermali situate in altri
punti della dorsale oceanica.
Gli studiosi infatti suppongono che le bocche idrotermali siano presenti lungo tutte le dorsali
oceaniche mostrate nella cartina, ma purtroppo non si sono ancora potute organizzare
spedizioni per verificare la loro effettiva presenza e in seguito studiarle.
Recentemente si è scoperto che il fenomeno delle bocche idrotermali non si limita alla
dorsale oceanica ma può presentarsi anche in altre zone di subduzione o dove anticamente
vi era formazione di crosta oceanica.
È ad esempio stato ritrovato un campo idrotermale circa 30° a nord dell’intersezione orientale
della crosta Medio-Atlantica e la frattura Atlantica, chiamata “Città Perduta”. La zona
presenta caratteristiche diverse da quelle tipiche delle zone idrotermali. In particolare questo
sito si trova su una porzione di crosta terrestre vecchia di 1,5 milioni di anni e molto differente
dalle dorsali oceaniche, in cui viene costantemente creata nuova crosta oceanica.
Nonostante le condizioni geologiche differenti, le caratteristiche ambientali di queste zone
hanno permesso la nascita di una comunità biologica ricca di microbi e batteri anaerobi.
Questa scoperta ha aperto la strada alla ricerca di bocche idrotermali che presentano
condizioni simili a quella recentemente ritrovata, allargando il campo di ricerca a una porzione
di crosta oceanica molto maggiore a quella ipotizzata fino a questo momento. Purtroppo gli
esiti di queste ricerche non sono ancora disponibili al pubblico e non posso dunque parlarne
più dettagliatamente.
3.3 Dati fisici e chimici delle bocche idrotermali
Lo studio delle condizioni chimiche e fisiche delle bocche idrotermali è particolarmente
importante visto che hanno influito enormemente sullo sviluppo di queste comunità, che
hanno dovuto adattarsi ad esse per poter sopravvivere. In particolare visto che questi
organismi sono adattati alle altissime temperature presenti in queste zone, è la composizione
chimica dei fluidi rilasciati a influire sulla presenza delle comunità e sulla loro sopravvivenza.
Questa dipendenza è dovuta alla necessaria presenza di determinate sostanze chimiche
implicate nella reazione di chemiosintesi indispensabili al sostentamento degli organismi della
comunità biologica, che è interamente basata sul processo operato dai batteri chemiosintetici.
Le bocche idrotermali si trovano generalmente ad una profondità media di circa 2100 m, con
minimi di soli 100 m e massimi che possono raggiungere addirittura i 3600 m. Questa
notevole profondità influisce in modo molto marcato su svariate caratteristiche come la
pressione, che si aggira in media attorno alle 300 atmosfere. Tale pressione impedisce
all’acqua marina di bollire nonostante le notevoli temperature alle quali fuoriesce dalle bocche
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idrotermali e ha dunque un importante influenza sulle condizioni ambientali. Anche la
temperatura dell’acqua è notevolmente influenzata da fattori come profondità e correnti e in
generale viene stimata fra i 3-10 °C. Naturalmente tale temperatura varia enormemente nel
caso in cui questa venga a contatto con le bocche idrotermali dalle quali fuoriescono fluidi ad
alta temperatura o addirittura nel caso in cui sprofondi fino ad incontrare il magma.
Come detto nell’area della bocca idrotermale
fuoriescono fluidi ad alta temperatura
(all’incirca 350°C ) provenienti dalle varie
fumarole e si mescolano con fluidi a
temperature medie e basse e vengono diluiti
dall’acqua marina. Il processo di generazione
di questi fluidi è simile a quello che avviene
nelle bocche in superficie con il mescolamento
dell’acqua piovana e del magma, ma in questo
caso i maggiori reagenti sono l’acqua marina e
la crosta oceanica.
I fluidi rilasciati dalle bocche idrotermali hanno
un’acidità particolarmente elevata (pH 3-5), e
sono particolarmente ricche di sostanze
chimiche quali acido solfidrico, idrogeno,
metano, manganese e altri metalli di
transizione come zinco, ferro, cobalto, rame,
piombo e alluminio. Queste sostanze chimiche
sono presenti nei fluidi che fuoriescono dalle
bocche idrotermali in quantità molto maggiore
rispetto ai normali valori presenti nell’acqua, in
particolare si può affermare che gli elementi
citati sopra sono presenti solamente in queste
zone. L’arricchimento dell’acqua di queste particolari sostanze avviene in quelle che sono
chiamate “reacting zones”, fenditure in cui l’acqua penetrando viene a contatto con il magma
sottostante. In queste zone, a circa 2 km di profondità, l’acqua marina che fuoriesce in un
secondo tempo dalle fumarole, entra in contatto con le rocce liquide e grazie anche alle alte
temperature acquisisce la sua tipica composizione chimica.
Figura 7
Le condizioni ambientali delle bocche idrotermali.
Le particolari condizioni, presenti in questi ambienti influiscono anche sulla salinità dell’acqua.
In queste zone i valori di pressione e temperatura oscillano attorno alla zona del punto critico
e più precisamente ai valori di 294 bar e 407°C, va lori ai quali l’acqua si presenta per metà
sottoforma di vapore e per l’altra metà in forma liquida. A valori di pressione e temperatura
maggiore l’acqua marina bolle producendo una fase di vapore a basso tasso di salinità.
Questa condizione è ostacolata dalle alte pressioni presenti a queste profondità, tuttavia si
può verificare anche se per un breve lasso di tempo, dopodiché l’acqua tornerà allo stato
liquido.
Un ultimo dato da segnalare per nulla banale nella prospettiva delle comunità biologiche delle
bocche idrotermali è l’apporto di luce solare. Le notevoli profondità alle quali si situano le
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bocche idrotermali comporta la totale assenza di luce solare proveniente dalla superficie. Ad
eccezione della debole illuminazione prodotta dalle attività vulcaniche della crosta oceanica,
peraltro molto rara nelle zone delle bocche idrotermali, le comunità biologiche hanno dunque
dovuto svilupparsi in totale assenza di luce. Questo dato ha determinato la radicale differenza
di questi ecosistemi rispetto a tutti gli altri. Ogni ecosistema infatti è normalmente basato sulla
produzione autotrofa3 del regno vegetale ad eccezione appunto degli ecosistemi delle bocche
idrotermali che vedono alla loro base una fonte di sostentamento diversa dalla fotosintesi,
impraticabile in assenza di luce, la chemiosintesi.
Figura 8
La figura mostra l’assorbimento delle onde luminose in funzione della profondità. Come si può facilmente
dedurre dal grafico, nessun onda riesce a raggiungere il livello delle bocche idrotermali.
3
“L'autotrofia è la condizione nutrizionale di un organismo in grado di sintetizzare le proprie molecole organiche
a partire da sostanze inorganiche e utilizzando energia non derivante da sostanze organiche assimilate.”
http://it.wikipedia.org/wiki/Autotrofia 22.12.2010
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4 La comunità biologica
Dopo aver descritto le condizioni ambientali e le caratteristiche fisiche e morfologiche in cui le
comunità biologiche al centro del mio lavoro si sono sviluppate, possiamo ora passare allo
studio delle comunità stesse. Per affrontare questo studio dobbiamo innanzitutto conoscere
meglio la comunità microbiologica di questi ecosistemi che possono essere considerati la
base stessa della catena alimentare. Sono infatti in particolare i microrganismi chemiosintetici
a rendere tanto particolare le comunità che vivono nelle vicinanze delle bocche idrotermali.
Dopo questo primo fondamentale passo potremo poi inoltrarci nell’analisi generale di tutti gli
organismi che compongono la rete alimentare, con un breve capitolo dedicato alla simbiosi
che permette di legare i produttori, in questo caso i batteri chemiosintetici, ai consumatori
primari, ad esempio i vermi tubiformi.
In questo modo si avrà un quadro completo delle nozioni di base che servono a meglio
comprendere l’ultimo capitolo del lavoro, che si concentra sugli sviluppi dello studio di queste
comunità biologiche.
4.1 I batteri chemiosintetici e la chemiosintesi
I batteri chemiosintetici sono la base degli ecosistemi sviluppatisi attorno alle bocche
idrotermali; la loro presenza è fondamentale per sostenere l’intera rete alimentare e sono
presenti in grandissimo numero. In generale i batteri presenti in questi ambienti
particolarmente difficili sono termofili o addirittura ipertermofili , sono cioè batteri in grado di
sopravvivere a temperature particolarmente elevate. Alcuni esempi sono il Pyrococcus
furiosus, il Pyrodictium occultum e il Methanococcus janaschii, tutte specie ritrovate durante
le numerose spedizioni scientifiche che hanno riguardato e riguardano le zone delle bocche
idrotermali.
I batteri come detto sono i produttori primari
di questa rete alimentare essendo in grado di
ridurre lo zolfo inorganico presente in grandi
quantità nell’acqua attorno alle bocche
idrotermali e come conseguenza di questo
processo di sintetizzare del carbonio
Figura 9
Da sinistra Pyrococcus furiosus, il Pyrodictium occultum organico che è l’alimento di vari tipi di
e il Methanococcus janaschii
zooplancton e alcuni altre specie animali e
vegetali. Questo processo prende il nome di
chemiosintesi.
La chemiosintesi è uno dei due processi chimici che costituiscono il ciclo dello marino dello
zolfo. Nella prima fase lo zolfo sedimentato nei fondali viene parzialmente ossidato da batteri
specializzati in questo processo. I fondali marini infatti sono caratterizzati dalla totale assenza
di ossigeno e sono dunque il luogo ideale per la proliferazione di questi batteri.
Durante questo processo di tipo eterotrofo, i batteri ossidanti (generalmente degli sporofiti)
producono solfuro, anidride carbonica e acqua a partire dalla combinazione di solfato e
materiale organico presenti nell’ambiente circostante secondo la seguente equazione
semplificata:
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(A) SO42- + 2[CH2O] S2- + 2CO2 + 2H2O
Tale procedimento permette di sintetizzare il solfuro ( S2-) che diventa poi uno dei reagenti nel
processo di ossidazione (B) , la seconda reazione che completa il ciclo dello zolfo. Questo
processo di tipo aerobico si innesca quando lo zolfo viene esposto a all’ossigeno presente
negli strati superficiali della crosta oceanica.
Per opera di batteri lo zolfo viene ossidato secondo la reazione semplificata:
(B) S2- + CO2 + O2 + H2O SO42- + [CH2O]
In questo ciclo viene prodotta formaldeide [CH2O], un composto organico, ed è dunque da
considerare una particolare forma di produzione primaria detta chemiosintesi. Chemio
perché la produzione prende avvio dall’energia chimica rilasciata durante l’ossidazione del
solfuro.
Queste due fasi costituiscono un ciclo chiuso in cui non si ha un guadagno in termini di
materiale organico. L’effettivo incremento di materia organica avviene grazie all’interazione
fra l’acqua marina e le rocce magmatiche della crosta oceanica. L’energia geotermica crea
una sorta di cortocircuito nel ciclo, innescando una seconda reazione di chemiosintesi
esemplificata dalla seguente equazione chimica:
(C) 2CO2 + 6H2 [CH2O] + CH4 + 3H2O
La chemiosintesi come si può osservare dall’equazione chimica (B), coinvolge batteri aerobi,
che necessitano di ossigeno per svolgere le loro funzioni. L’ossigeno proviene da reazioni di
tipo fotosintetico che avvengono nelle acque superficiali e grazie alle correnti raggiunge poi le
profondità marine. Tuttavia può anche essere svolta in assenza di ossigeno come nel caso
della formula (C).
Figura 10
I vari processi di chemiosintesi. Le lettere fanno riferimento al testo.
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A causa della scarsa concentrazione di idrogeno nelle zone delle bocche idrotermali e
all’abbondante disponibilità di ossigeno , la produzione primaria per via anaerobica rimane
molto scarsa. Secondo uno studio dei ricercatori McCollom e Shock pubblicata nel 1997, la
produzione primaria per via anaerobica costituirebbe solo una piccola parte delle calorie
ottenibili per chilo d’acqua. La maggior parte della produzione di energia avviene dunque
attraverso un processo di tipo aerobico. I processi qui descritti possono essere considerati
un’insolita forma di produzione primaria visto che attraverso di essi l’energia chimica presente
nello zolfo e nel metano disciolto nell’acqua viene resa disponibile ad una vasta gamma di
esseri viventi. È importante sottolineare che, nonostante la chemiosintesi che coinvolge lo
zolfo descritta sopra sia il processo maggiormente documentato, esistono anche altri tipi di
chemiosintesi che si basano su differenti processi chimici anche se il principio fondamentale
rimane lo stesso, la conversione di energia chimica in ATP.
Figura 11
Lo schema mostra gli organismi termofili che si presume popolino le zone delle bocche idrotermali.
Il ruolo fondamentale svolto dai batteri chemiosintetici è quello di trasformare un’energia
inutilizzabile per la maggior parte degli esseri viventi in un tipo di energia facilmente
usufruibile da una gamma molto più vasta di organismi, rendendo così possibile la vita in un
luogo tanto inospitale. Se non fossero presenti questo tipo di organismi la vita in questi luoghi
non potrebbe esistere. I normali produttori primari infatti, mettono a disposizione energia
attraverso il processo della fotosintesi, inscindibilmente legato alla presenza di luce solare,
totalmente inesistente alle profondità a cui si trovano le bocche idrotermali. Questo incredibile
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processo ha affascinato gli studiosi di questi ecosistemi che hanno dovuto rivalutare
l’importanza di una categoria di esseri viventi spesso poco studiati nel contesto
dell’osservazione di un ecosistema. In seguito a questa scoperta lo studio della comunità
microbiologica di un ecosistema, in particolare degli ecosistemi marini ha acquistato un ruolo
molto più importante. Questa è la prima ricaduta tangibile che incontriamo: infatti lo studio di
queste incredibili comunità e la conoscenza degli ecosistemi sviluppatisi attorno alle bocche
idrotermali ha permesso agli scienziati di riconoscere l’effettiva importanza della comunità
microbiologica in tutta una serie studi che riguardano altri ecosistemi che non avrebbero
probabilmente ricevuto il necessario rilievo senza questa scoperta.
La teoria che pone la chemiosintesi alla base della vita che si sviluppa nelle comunità
biologiche è certamente la più accreditata, ma per spiegare la grande quantità di esseri
viventi in queste zone sono state avanzate altre due ipotesi.
La prima ipotesi alternativa si basa sulla possibilità che le bocche idrotermali siano luoghi
adatti alla sintesi di sostanze chimiche per vie abiotiche grazie alla presenza di alte
temperature. Le sostanze sintetizzate sarebbero poi utilizzate per vivere da organismi
eterotrofi4. La seconda alternativa sostiene che il carbonio refrattario5 presente nei sedimenti
e nell’acqua marina è utilizzabile da parte di alcuni tipi di batteri eterotrofi che si trovano nelle
vicinanze delle bocche idrotermali.
Queste ipotesi sono tuttora oggetto di studio da parte degli scienziati come possibili casi
alternativi di produzione primaria.
Importante segnalare che esistono anche dei microrganismi fotosintetici che operano grazie
al bagliore emanato dalle varie fratture della crosta oceanica in cui affiora il magma. Questo
tipo di produzione primarie costituisce una minima parte del totale e rappresenta
un’eccezione in questi ecosistemi.
Figura 12
Un camino fotografato durante il prelievo di batteri termofili che ricoprono la sua superficie esterna. Sono ben
visibili le tracce giallognole della presenza di un’alta concentrazione di zolfo.
4
“L' eterotrofia è la condizione nutrizionale di un organismo che non è in grado di sintetizzare il proprio
nutrimento autonomamente a partire da sostanze inorganiche. Per la sopravvivenza esso deve quindi far
riferimento a composti organici pre-sintetizzati da altri organismi, che sono invece detti autotrofi.”
http://it.wikipedia.org/wiki/Eterotrofo 22.12.2010
5
Refrattario: materiale che resiste ad alte temperature senza alterarsi.
15
Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
4.2 La simbiosi
Nelle prime fasi della scoperta di questi ecosistemi, i batteri non sono certo stati al centro
dell’interesse degli scienziati. Ad affascinare gli scopritori furono piuttosto le vaste distese di
vermi tubiformi, le colonie di cozze giganti e altri organismi di grandi dimensioni. Ad uno
sguardo approfondito apparvero subito tutta una serie di interrogativi. Oltre alla sorpresa della
scoperta di vita in senso più generale nacquero altre domande relative alle singole specie. Un
in particolare appassionò i biologi. Come era possibile che organismi tanto grandi come i
vermi tubiformi riuscissero a vivere, nonostante fossero totalmente sprovvisti di un apparato
digerente?
La risposta a questa domanda, formulata nel 1981 ebbe il merito di portare alla luce un
meccanismo fondamentale per la presenza di una tale qualità e quantità di organismi nelle
profondità marine : la simbiosi.
Nel caso del verme tubiforme, il Riftia pachyptilia, l’esempio più studiato in questo
ecosistema, l’organismo vive grazie ad una strettissima simbiosi con i batteri chemiosintetici.
Attraverso i capillari (1) del pennacchio posto sulla cima del corpo del verme, questo assorbe
ossigeno, anidride carbonica e solfuro (2), i reagenti necessari alla chemiosintesi e attraverso
il suo apparato cardiovascolare li trasporta all’interno del corpo (3). Molto interessante per gli
studiosi è la particolare emoglobina utilizzata dal verme per impedire ai alle tre sostanze di
reagire durante il trasporto. Il corpo del verme contiene una grande quantità di speciali celle
(4) in cui sono contenuti una grande quantità di batteri (5), fino a 285 miliardi per ogni tessuto.
Il verme attraverso i capillari fornisce ai batteri i reagenti della chemiosintesi e in cambio di un
luogo sicuro e ricco di nutrienti, i batteri forniscono al verme tutto il nutrimento di cui
necessita.
Figura 13
L’immagine mostra l’anatomia di un verme tubiforme.
16
Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
Un processo simile avviene fra molti altri consumatori primari della catena alimentare dei
queste comunità biologiche, ad esempio le cozze giganti.
Lo studio di questo processo si è rivelato molto importante per giustificare la presenza di
organismi tanto grandi che altrimenti non potrebbero certo sopravvivere. La simbiosi è un
chiaro esempio della fondamentale importanza dei batteri chemiosintetici, nonché un
affascinante esempio di adattamento e collaborazione fra organismi differenti in condizioni
molto difficili.
La scoperta della grande importanza della simbiosi in questo ecosistema ha spinto gli
scienziati a ricercare questo tipo di relazione anche in altri luoghi, ricerca spesso fruttuosa.
Tale ricerca ha permesso di scoprire anche una seconda variante di simbiosi che coinvolge i
batteri che svolgono la chemiosintesi a partire dal metano. Questi batteri si legano in
particolare con alcuni tipi di cozze. In generale il processo è molto simile a quello che si è
studiato nel caso dei vermi tubiformi, anche se le sostanze coinvolte sono differenti.
4.3 La rete alimentare
Nonostante l’unicità degli ecosistemi delle bocche idrotermali e l’importante aspetto della
produzione primaria chemiosintetica che differenzia questi ecosistemi da tutti gli altri, la
struttura delle reti alimentari può essere ricondotta a quella di molti altri ecosistemi acquatici.
La biomassa di questi ecosistemi è composta in gran parte da batteri e invertebrati, mentre i
vertebrati sono presenti in piccolo numero e sono spesso visitatori occasionali e non abitanti
stabili. È importante sottolineare che questi ecosistemi sono per lo più sistemi chiusi, che
presentano per cui specie diverse anche se riconducibili ad uno stesso ruolo nella rete
alimentare. Per questo motivo è piuttosto difficile specificare quali specie ricoprono quale
ruolo e in questo caso mi limiterò a segnalare alcuni esempi piuttosto generali.
Alla base della catena alimentare troviamo i batteri chemiosintetici che svolgono il ruolo di
produttori primari in questi ecosistemi. In questa categoria troviamo batteri chemiosintetici
simbionti, che collaborano dunque direttamente con un organismo consumatore primario, ma
anche batteri “liberi” che vivono sospesi in acqua o sul fondale marino. Questi organismi
come visto ricavano l’energia che necessitano da sostanze chimiche disciolte nell’acqua
tramite chemiosintesi. Da non dimenticare la presenza seppur molto limitata di organismi
fotosintetici, che seppur in minima parte, contribuiscono alla produzione primaria in questi
ecosistemi. Al secondo livello della rete alimentare troviamo i consumatori primari, fra cui gli
organismi che intrattengono un rapporto simbiotico con i batteri chemiosintetici come ad
esempio il Riftia pachyptilia, il verme tubiforme, la Calyptogena magnifica, un tipo di vongola
e la Bathymodiolus childressi, nome scientifico di un tipo di cozza che vive a queste
profondità. Ma gli organismi simbionti non sono gli unici, fra i produttori primari troviamo pure
gli zooplancton, vari tipi di piccoli crostacei simili a gamberetti come il Ventiella sulfuris o il
verme di Pompei, Alvinella pompejana, l’animale più resistente alle alte temperature fino ad
ora conosciuto. Questi organismi si nutrono direttamente dei batteri chemiosintetici per
ricavarne il nutrimento necessario.
Di tutti questi organismi si nutrono i carnivori primari, categoria composta da alcune specie di
pesci come il Pachycara gymnium, crostacei come il Munidopsis alvisca, e alcuni tipi di
anemoni.
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Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
Alla cima della rete alimentare troviamo i carnivori secondari, categoria costituita da crostacei
come il granchio cieco Bythograea thermydron, pesci come la specie di pescegatto
Hydrolagus affinis, e polipi come il Graneledone pacifica.
Figura 7
Schema riassuntivo di una catena alimentare tipo
Il primo diagramma di una rete alimentare di un ecosistema delle bocche idrotermali fu
pubblicato nel 1983 dai signori Hessler e Smithey, che studiarono il sito denominato “Rose
garden” situato nella zona delle Galapagos. Tale diagramma riproduce la struttura descritta
sopra adattato alla rete alimentare di questo sito. Alla base della rete troviamo i produttori
primari, fra cui batteri liberi o vincolati da una relazione simbiotica, fra i consumatori primari vi
sono piccoli crostacei, anemoni, cozze, vongole e vermi tubiformi. Alla cima della catena
alimentare ci sono vari tipi di organismi onnivori fra cui lumache, granchi, gamberetti,
aragoste. Sono anche presenti alcuni visitatori occasionali come i polipi, che giungono in
queste zone soprattutto alla ricerca di bivalvi e simili.
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Laura Gulfi
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La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
Figura 15
Il diagramma dei signori Hessler e Smithey.
Come possiamo vedere la catena alimentare di questi ecosistemi è molto articolata e non
ancora del tutto conosciuta soprattutto a causa della complessità delle relazioni presenti in
questo ecosistema e alla difficoltà dello studio.
Si capisce però immediatamente l’importanza della chemiosintesi e del processo di simbiosi
che permettono la sopravvivenza di una tale biomassa in condizioni tanto inospitali. Una così
grande presenza di specie, al momento se ne conoscono più di 300, rende gli ecosistemi
delle bocche idrotermali molto interessante per gli studiosi in particolare di biotecnologie che,
studiando le particolarità di ogni singola specie possono ricavare sostanze molto interessanti
per lo sviluppo di medicine e altri tipi di sostanze da impiegare in una vasta gamma di settori.
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La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
5 Gli sviluppi dello studio
La scoperta di questi ecosistemi ebbe numerose importanti ricadute in svariati campi di
studio. Abbiamo già accennato all’importanza che ebbe nell’ambito dello studio degli
ecosistemi e delle comunità biologiche. La scoperta delle bocche idrotermali infatti, non solo
portò alla luce un ecosistema completamente nuovo, basato sulla chemiosintesi, un processo
mai incontrato prima che sconvolse e affascinò gli studiosi, ma pose in nuova luce il mondo
microbiologico e meccanismi come la chemiosintesi o la simbiosi. Negli anni seguenti alla loro
scoperta infatti, i biologi in particolare quelli marini, si impegnarono nell’approfondire molto
l’aspetto microbiologico di ogni ecosistema, in seguito alla scoperta dell’importanza che esso
riveste negli ecosistemi delle bocche idrotermali. La loro scoperta dunque, permise di
registrare l’importanza del mondo microscopico, invisibile ai nostri occhi, ma spesso decisivo
per l’esistenza di un’intera comunità biologica.
Questo aspetto però non è l’unica innovazione che la scoperta delle bocche idrotermali ha
portato. Lo studio di queste comunità ha dato molti contributi alla scienza, due dei quali vorrei
approfondire in questo capitolo.
La prima grande implicazione che vorrei analizzare è quella legata al progresso nelle
biotecnologie. In seguito alla scoperta di nuovi organismi, in particolare in questo caso, in cui
gli organismi in questione possiedono caratteristiche molto particolari come la capacità di
resistere ad altissime temperature, diversi esperti di biotecnologie si sono impegnati nello
studio dell’organismo di questi esseri viventi. Grazie a questo studio sono riusciti a
comprendere meccanismi e a conoscere nuove sostanze potenzialmente utili all’uomo, che
hanno poi impiegato nei più svariati campi, dalla medicina all’industria.
La seconda grande implicazione derivante dallo studio degli ecosistemi delle bocche
idrotermali che vorrei approfondire è la teoria che considera i batteri abitanti che colonizzano
queste aree i discendenti delle prime forme di vita mai comparse sul nostro pianeta.
5.1 Le biotecnologie
Una delle più importanti conseguenze della scoperta delle bocche idrotermali è lo
sfruttamento di questi organismi dal punto di vista biotecnologico.
Gli organismi che vivono in queste zone presentano infatti caratteristiche molto interessanti e
uniche nel loro genere come la resistenza ad alte temperature, a fortissime pressioni e ad un
ambiente particolarmente acido. Tali caratteristiche sono merito dell’adattamento di questi
organismi ad un ambiente particolarmente inospitale.
Lo studio di questi organismi e la possibilità di riprodurli su scala industriale hanno portato ad
una vera e propria ricerca mirata di siti idrotermali con presenza di nuove e potenzialmente
preziose forme di vita. Per tale scopo sono stati organizzati veri e propri gruppi di ricerca
come l’Harbor Branch Oceanographic Institution, un organo che collabora con il NOAA,
l’amministrazione americana che si occupa dello studio dell’oceanografia, che ha come
obbiettivo la scoperta e lo studio di nuove sostanze chimiche derivate da organismi marini da
utilizzare poi per i più svariati scopi. Questa associazione si occupa innanzitutto di localizzare
i luoghi che più probabilmente potrebbero ospitare nuovi organismi, in particolare studiando la
teoria e collaborando con altri enti statali come il Minerals Management Service in modo da
risparmiare tempo e denaro e poter programmare esplorazioni mirate. In seguito si occupa
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Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
della spedizione vera e propria. Infine tratta tutta una serie di obbiettivi a lungo termine come
la catalogazione degli organismi scoperti, il loro studio e in alcuni casi il loro allevamento degli
organismi potenzialmente utili.In generale sono due i grandi campi in cui vengono applicate le
scoperte: la medicina e l’industria.
Moltissimi dei principi attivi di svariati medicamenti sono il frutto della riproduzioni in vitro di
enzimi ricavati da piante e animali. Gli organismi marini e in particolare gli abitanti delle
bocche idrotermali sono in questo senso un’importantissima fonte di innovazioni. Da questi
esseri viventi infatti si ricavano moltissime sostanze quali antibiotici, agenti antitumorali,
anticoagulanti, immunosoppressori e sostanze rilassanti. Attualmente sono in fase di studio
ben dodici derivati di organismi marini per le loro sospette qualità antitumorali.
Gli esempi in questo senso sono
innumerevoli, uno fra tutti è quello del
Leiodermatium, un particolare tipo di
spugna marina studiato recentemente.
Questa spugna produce una particolare
sostanza detta leiodermatolide, un potente
agente antitumorale. Un gruppo di
scienziati sta attualmente studiando la
possibilità di utilizzare tale agente per
combattere una malattia mortale per la
quale non si sono al momento trovate
cure.
Affiancata a quella medica, troviamo una
seconda applicazione dello studio degli
organismi marini, quella commerciale e
industriale. La capacità dei batteri di ridurre
gradi quantità di solfuri è tuttora sfruttata
per lo smaltimento di residui tossici di vari
tipi di fabbriche. I batteri generati per
Figura 16
Il Leiodermatium.
questo scopo sono poi utilizzati come fonte
di cibo nelle pescicolture. Per lo stesso
scopo esistono anche progetti per l’allevamento di bivalvi simbionti. Da batteri ipertermofili
sono stati ricavati enzimi in grado di resistere ad altissime temperature, utilizzati in vari
processi chimici come la polimerasi. Una curiosa applicazione di tali enzimi è quella di
inserirli nella composizione di detergenti e solventi organici. Le applicazioni attuali sono
comunque innumerevoli: dalla Trichoderma sp. si ottiene uno sbiancante per la carta, dallo
Pseudopterogorgia elisabethae uno composto delle creme della celebre marca Estee Lauder
e dall’Acinetobacter radioresistens una sostanza per ripulire le perdite d’olio.
Molti di più sono gli organismi che si sospetta possano contenere sostanze utili all’uomo per
gli scopi più disparati e che per mancanza di tempo e di denaro non sono ancora stati studiati
a fondo.
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Laura Gulfi
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La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
Impressionante è in ogni caso le potenzialità che questo campo di ricerca possiede. Basti
pensare che negli ultimi venticinque anni oltre sono stati scoperti e ricavati oltre 10 000
composti da organismi marini. Se pensiamo poi che si calcola che all’incirca l’80% degli
esseri viventi si trova negli ambienti marini possiamo chiaramente comprendere come questa
ricerca possa racchiudere degli enormi sviluppi.
5.2
La teoria della nascita della vita sulla terra
Un’altra delle implicazioni più importanti dello studio degli ecosistemi delle bocche idrotermali
è lo sviluppo di una nuova teoria riguardante la nascita della vita sulla terra che ne è
conseguita. La scoperta dei batteri chemiosintetici ha modificato profondamente la visione
degli scienziati che si occupano di approfondire le circostanze della nascita della vita sulla
terra, così come dei biologi che si impegnano nella ricerca di forme di vita extraterrestri.
Per approfondire questa teoria dobbiamo innanzitutto considerare le condizioni ambientali in
cui la vita si suppone sia nata. Il pianeta Terra è nato approssimativamente 4,6 miliardi di anni
fa a partire dall’aggregazione di materiale solido nell’orbita del Sole. La terra era circondata
da atmosfera composta da gas generati dall’attività vulcanica quali vapore acqueo, anidride
carbonica e azoto e già a partire da 4,4 miliardi di anni fa la sua superficie aveva una
temperatura di circa 100°C. La terra era spesso col pita da asteroidi, impatti che avevano
importanti conseguenze sull’equilibrio di un ambiente già di per sé molto mutevole. Gli impatti
di maggior intensità cessarono circa 3,8 miliardi di anni fa, dopo aver dato luce alla Luna, il
nostro satellite. La vita tuttavia si stima si comparsa fra 4,4 e 2,7 miliardi di anni fa. La storia
di cui siamo sicuri tuttavia risale solamente a 3,8 miliardi di anni fa, periodo a cui risalgono le
parti più antiche della crosta terrestre. Per compensare la mancanza di informazioni gli
scienziati studiano la superficie di altri pianeti o satelliti vicini come ad esempio Marte o la
Luna. Grazie a questi studi gli esperti sono in grado di ipotizzare con una certa sicurezza la
composizione del mantello terrestre che consisteva in un nucleo ricco di metalli , un mantello
a base di silicati e una crosta essenzialmente vulcanica. In queste condizioni si è accertata la
presenza di attività idrotermale che doveva essere una delle principali caratteristiche del
pianeta vista la scarsità di terra ferma e l’elevata attività geologica.
Dati questi presupposti, sono due le principali ipotesi riguardanti la nascita della vita sul
nostro pianeta: la prima vede organismi eterotrofi quali primi esseri viventi, mentre quella di
cui ci stiamo occupando pone come primi esseri viventi degli organismi chemiosintetici.
L’ipotesi sulla nascita della vita di tipo eterotrofo più conosciuta e accreditata è detta di
Oparin-Haldane, o anche l’ipotesi della “brodo primordiale” e si basa su cinque condizioni in
dispensabili per la sua dimostrazione:
•
L’atmosfera primordiale era un ambiente che si stava riducendo
•
La produzione organica era sufficiente da creare luoghi con un’ ambiente organico
complesso
•
Le fermentazioni di tipo eterotrofo e anaerobico erano a uno stato primordiale
•
L’autotrofia si sviluppa dall’eterotrofia
•
L’origine della vita ha certamente avuto luogo a basse temperature, fra i 20 e i 30°C.
Seguendo questa teoria Urey sviluppò vari esperimenti che hanno dimostrato la possibilità
dello sviluppo di amminoacidi in condizioni simili a quelle della terra primordiale, in cui fulmini,
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Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
eruzioni e cadute di meteoriti abbondavano. In base a tale considerazione, la teoria sostiene
che nelle condizioni sopra elencate le molecole presenti nel brodo primordiale si siano
combinate dando vita ai primi nucleotidi ed enzimi. In sostanza la teoria del brodo primordiale
sostiene che le prime cellule fossero eterotrofe, visto che utilizzavano per il loro
sostentamento composti a base di carbonio presenti nel brodo primordiale. In seguito alla loro
duplicazione queste cellule avrebbero iniziato a esaurire la riserva di composti e si sarebbe
venuta a creare una condizione di competizione che avrebbe portato al dominio degli
organismi in grado di sfruttare al meglio le limitate sostanze disponibili e cioè quelli in grado di
sintetizzare sostanze organiche a partire da sostanze inorganiche.
Tale teoria tuttavia, implica la prima condizione e cioè che l’atmosfera primordiale si stesse
riducendo e fosse dunque ricca di metano e ammoniaca, composti organici a base di
carbonio. La visione più moderna che prevale tuttora però, sostiene che l’atmosfera non
stesse affatto riducendosi e dunque le due sostanze fossero piuttosto rare.
Attualmente l’ipotesi più accreditata è quella che sostiene che composti organici siano risultati
dalla riduzione di anidride carbonica e/o monossido di carbonio attraverso la chemiosintesi.
Questa via infatti non comporta il postulato che la vita evolva in maniera non biologica. Il
secondo processo ipotizzato, la teoria della chemiosintesi, è supportato dalla presenza di
luoghi dove questo processo è possibile: le bocche idrotermali. Lo squilibrio che si viene a
creare in queste zone fra fluidi ricchi di zolfo e l’acqua marina ricca di solfati e la forte
presenza di sostanze chimiche e grandi quantitativi di energia rendono le zone circostanti le
bocche idrotermali dei luoghi ideali per la nascita dei primi sistemi metabolici.
Inoltre recenti ricerche sullo studio delle sequenze di 16S rRNA hanno permesso di appurare
che i batteri e gli achea termofili ritrovati attorno a zone idrotermali sono gli esseri viventi
odierni più antichi. Per deduzione dunque le forme di vita da cui discendiamo devono essere
stati batteri o achea termofili. Questa scoperta è combinata alla teoria di due ricercatori
Fowler e Baross che fra il 1996 e il 1998 hanno elaborato prove rilevanti che indicherebbero
una natura calda degli oceani al tempo della nascita della vita (100°C). È dunque molto
probabile che i primi esseri viventi fossero termofili. Oltretutto alcuni tipi di batteri metanogeni
sono perfettamente in grado di sopravvivere in totale assenza di ossigeno, condizione
predominante in questo periodo.
La teoria della nascita della vita per sintesi chemiosintetica è dunque attualmente una delle
teorie più accreditate sulla nascita della vita sulla terra. Ma questa teoria ha anche delle
insospettate applicazioni attuali.
Con il cambiamento della teoria della nascita della vita, gli scienziati che si occupano dello
studio dello spazio hanno infatti smesso di ricercare organismi fotosintetici su altri pianeti e si
sono invece concentrati nella ricerca di forme autotrofe di tipo chemiosintetico. Questo
cambiamento, ha orientato gli scienziati verso la ricerca di attuali o antiche forme di attività
idrotermali su altri pianeti. Notizie di ritrovamenti di tali antiche attività ci sono giunte
recentemente non solo per quel che riguarda la superficie di Marte, ma anche per quella di
Europa, uno delle maggiori satelliti del pianeta Giove. Nel 1996 la sonda Galileo riportò infatti
prove secondo le quali la superficie di Europa sarebbe ricoperta di uno spesso strato di
ghiaccio e sotto di esso vi sarebbe un vero e proprio oceano liquido. Sui fondali di questo
satellite vi sarebbero sistemi idrotermali con caratteristiche comuni a quelli che hanno
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Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
determinato la nascita della vita sulla terra e che potrebbero dunque aver creato o creare
condizioni adatte a questo evento.
La scoperta delle bocche idrotermali dunque, non ha solo permesso di sviluppare una
credibile teoria sulla nascita della vita sulla terra, ma ha addirittura permesso di indirizzare la
ricerca di altre forme di vita in maniera più sicura, che negli ultimi anni ha dato sempre nuove
scoperte. Nel 2008 la missione Phoenix, ha infatti certificato la presenza di acqua allo stato
liquido su Marte, rendendo sempre più probabile una oramai estinta forma di vita primordiale
sul pianeta.
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Laura Gulfi
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La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
6 Conclusioni
Da questo lavoro traspare dunque come la scoperta di queste comunità biologiche che si
sviluppano nella zona delle bocche idrotermali, si sia rivelata estremamente importante
nell’ampliamento delle conoscenze umane sui meccanismi alla base degli ecosistemi e sul
loro funzionamento. Fino al 1977 gli unici ecosistemi conosciuti erano quelli di tipo solare, alla
base dei quali si trovano gli organismi autotrofi fotosintetici che assimilano l’energia fornita dal
sole per produrre composti organici. Questi ecosistemi si sviluppano in zone caratterizzate da
fattori abiotici molto differenti fra loro, ma accomunate da condizioni adatte alla presenza di
vita. Al di sotto di una certa profondità, in totale assenza di luce (condizione fondamentale per
lo sviluppo di un ecosistema) e a pressioni che raggiungono le 300 atmosfere, non si
immaginava vi fosse alcuna forma di vita. La scoperta dei ricercatori dell’Alvin ha infranto
questa convinzione, mostrando come la vita si sia sviluppata anche in queste condizioni
estreme. Non è esagerato affermare che il ritrovamento di questi straordinari ecosistemi
fondati sul processo di chemiosintesi, alla base dei quali troviamo particolari batteri
chemiosintetici in grado di sfruttare l’energia chimica e geotermica fornita dalla crosta
oceanica, ha rivoluzionato le conoscenze umane in campo ecologico.
Figura 8
Schema che illustra la rivoluzione delle conoscenze umane sulla diffusione della vita, avvenuta nel 1977.
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Laura Gulfi
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La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
Ma vi sono altre importanti implicazioni derivanti dallo studio di questi ecosistemi che
emergono da questo lavoro.
Grazie a queste ricerche è stato compreso il ruolo fondamentale ricoperto dalla simbiosi, non
solo in queste comunità, ma anche in molti altri ecosistemi, in particolare marini. La
comprensione dell’importanza della simbiosi nelle comunità delle bocche idrotermali ha infatti
spinto i biologi a ricercare questo particolare tipo di collaborazione fra specie in altri
ecosistemi, scoprendo tale processo in numerose altre comunità biologiche.
Questo lavoro evidenzia inoltre come lo studio di queste comunità abbia avuto anche
importanti impatti in molti altri ambiti come la medicina o le biotecnologie. Lo studio delle
specie che popolano le bocche idrotermali ha evidenziato le loro particolarità fisiologiche,
dovute soprattutto all’adattamento alle difficilissime condizioni ambientali presenti in questo
habitat. Una volta isolate e riprodotte in laboratorio, le cause fisiologiche delle caratteristiche
più interessanti, come la resistenza ad alte temperature, hanno permesso di creare nuove
sostanze impiegate in ambito industriale o medico. Quest’ultimo è il campo rivelatosi più
interessante, con la scoperta e l’isolamento di sostanze dalle proprietà antitumorali,
attualmente in avanzata fase di sperimentazione, che potrebbero donare speranza a milioni di
persone.
Lo studio di questi ecosistemi ha permesso inoltre di elaborare una nuova teoria sulla nascita
della vita sulla terra, che potrebbe indirizzare la ricerca di forme di vita extraterrestri verso i
primi successi.
Si potrebbe obbiettare che lo studio di queste comunità biologiche è relativamente poco utile
ed eccessivamente dispendioso, ma viste le importati scoperte effettuate e le potenzialità che
esso racchiude, è auspicabile che queste ricerche continuino e vengano approfondite,
nonostante gli alti costi e le difficoltà che esse comportano. Malgrado esistano altri ecosistemi
più facilmente accessibili e molto interessanti, gli importanti risultati ottenuti dimostrano come
comunque le ricerche in questo settore siano di assoluto interesse.
Con il mio lavoro ritengo dunque di aver raggiunto gli obbiettivi prefissati inizialmente: fornire
in un primo tempo una serie di conoscenze su questi ecosistemi ancora poco conosciuti e in
seguito descrivere i principali sviluppi dello studio di queste comunità. È questa seconda
parte del lavoro ad essersi rivelata maggiormente stimolante, soprattutto grazie alla grande
quantità di materiale che ho potuto raccogliere e studiare, documenti a me prima sconosciuti
perché al di fuori dei miei abituali settori di interesse. È in particolare grazie a questo
ampliamento delle mie conoscenze che mi permetto di ritenermi soddisfatta del lavoro svolto
durante questi mesi.
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Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
7 Bibliografia
7.1
Fonti bibliografiche e siti internet
Capitolo 1
•
NOAA presentazione”Chemiosintesis and Hydrotermal Vent Life
(http://www.montereyinstitute.org/noaa/lesson05.html)
Capitolo 2
•
Breve storia della scoperta delle bocche idrotermali
(http://www.pbs.org/wgbh/nova/abyss/frontier/deepsea.html
•
High school lessons “Black smokers and giant Vorms”
(http://www.courseworld.com/ocean/smokers.html)
•
Ocecean Explorer, storia della scoperta delle bocche idrotermali
(http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/02galapagos/background/history/history.ht
ml)
•
NOVA storia della scoperta delle bocche idrotermali
(http://www.pbs.org/wgbh/nova/abyss/frontier/deepsea.html)
Capitolo 3.1
•
Complemento allo studio del funzionamento della tettonica a placche
(http://it.wikipedia.org/wiki/Tettonica_delle_placche )
•
“The ecology of deep-sea hydrothermal vents” Cindy Lee Van Dover, Capitolo 2
Capitolo 3.
•
UOL universoline, resoconto della scoperta di batteri chemiosintetici lontano dalla
dorsale oceanica (http://www.universonline.it/_scienza/articoli_nat/01_07_19_a.php)
•
Ocean Explorer, “Submarine Ring of Fire 2006”
(http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/06fire/welcome.html)
•
Complemento allo studio del funzionamento della tettonica a placche
(http://it.wikipedia.org/wiki/Tettonica_delle_placche)
•
“The ecology of deep-sea hydrothermal vents” Cindy Lee Van Dover, Capitolo 2
Capitolo 3.3
•
Wikipedia “Le fumarole nere” (http://it.wikipedia.org/wiki/Fumarola_nera )
•
Ocen Explorer, ”Role of magmatic fluids in Hydrotermal vents or volcanics arcs”
(http://oceanservice.noaa.gov/education/yos/multimedia/oceanexplorer.noaa.gov/ocea
nexplorer.noaa.gov/explorations/06fire/background/chemistry/chemistry.html. )
•
“The ecology of deep-sea hydrothermal vents” Cindy Lee Van Dover, Capitolo 2 e 3
Capitolo 4.1
•
High school lessons “Black smokers and giant Vorms”
(http://www.courseworld.com/ocean/smokers.html)
•
Deeper Exlorer, i batteri delle bocche idrotermali
(http://www.divediscover.whoi.edu/hottopics/bacteria.html)
•
Ocean Explorer, Microbiology
(http://oceanservice.noaa.gov/education/yos/multimedia/oceanexplorer.noaa.gov/ocea
nexplorer.noaa.gov/explorations/06fire/background/microbiology/microbiology.html)
27
Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
“The ecology of deep-sea hydrothermal vents” Cindy Lee Van Dover, Capitolo 5
Capitolo 4.2
•
High school lessons, “Black smokers and giant Vorms”
(http://www.courseworld.com/ocean/smokers.html)
•
NOVA, presentazione “Inside a Tubeworm”
(http://www.pbs.org/wgbh/nova/abyss/life/tubeworm.html)
•
The Pensyllvenia State University, Departemetn of Biology, ”Life without light”
(http://homes.bio.psu.edu/cold_seeps/ )
•
“The ecology of deep-sea hydrothermal vents” Cindy Lee Van Dover, Capitolo 6
Capitolo 4.3
•
Istituto Leonardo Davinci, presentazione “Abissi marini”
(http://leonardodavinci.csa.fi.it/studenti/altrimondi/ambienti/ambienti3)
•
Ocean Explorer, pdf “Who promised you a Rose Garden?”
(http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/02galapagos/background/education/media
/gal_gr7_8_l3.pdf)
•
Divediscover, “Biogeography and deep-sea hydrothermal vent faunas”
(http://www.divediscover.whoi.edu/hottopics/biogeo.html)
•
High school lessons, “Black smokers and giant Vorms”
(http://www.courseworld.com/ocean/smokers.html)
•
The Pensyllvenia State University, Departemetn of Biology, ”Life without light”
(http://homes.bio.psu.edu/cold_seeps/ )
•
NOAA presentazione”Chemiosintesis and Hydrotermal Vent Life
(http://www.montereyinstitute.org/noaa/lesson05.html)
•
Monterey Insitute, “Chemiosyntetic Food-Web”
(http://www.montereyinstitute.org/noaa/lesson05/l5la1.htm)
•
“The ecology of deep-sea hydrothermal vents” Cindy Lee Van Dover, Capitolo 8
Capitolo 5.1
•
Divediscover, “Bacteria at Hydrotermal vents”
(http://www.divediscover.whoi.edu/hottopics/bacteria.html)
•
Harbor Branch Florida Atlantic University, “Marine Drug Discovery”
(http://www.fau.edu/hboi/MarineDrugDiscovery/index.php)
•
Ocean Explorer, “Medicines from the deep-sea: Discoveries to date”
(http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/03bio/background/medicines/medicines.ht
ml)
•
NOAA, “Exploring underwater oases; Discovery of New Resources”
(http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/02sab/logs/summary/Leg3_Summary.pdf )
•
NOAA, “Why do we explore?”
(http://oceanexplorer.noaa.gov/okeanos/edu/leadersguide/media/09toboldlygo.pdf )
•
Oregon University, “Create your own product from the sea”
(http://agsci.oregonstate.edu/aquatic-bt/sites/default/files/PDFs/NPIID-7bREV.pdf)
•
“The ecology of deep-sea hydrothermal vents” Cindy Lee Van Dover, Capitolo 13
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Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
Capitolo 5.2
•
Wikipedia, breve accenno alla nuova teoria sulla nascita della vita
( http://it.wikipedia.org/wiki/Eterotrofia)
•
The mars society, accenno all’astrobiologia
(http://www.space.com/missionlaunches/missions/mars_society_conference_0105151.html )
•
NOAA, “Why do we explore?”
(http://oceanexplorer.noaa.gov/okeanos/edu/leadersguide/media/09toboldlygo.pdf )
•
Oregon University, “Create your own product from the sea”
http://agsci.oregonstate.edu/aquatic-bt/sites/default/files/PDFs/NPIID-7bREV.pdf
•
“The ecology of deep-sea hydrothermal vents” Cindy Lee Van Dover, Capitolo 13
Tutti i siti sono stati consultati fra maggio e settembre 2010.
7.2 Fonti illustrazioni
Figura 1.
http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2008/08/extreme-water-f.html 1.10.2010
http://www.batisfera.it/che-cosa-e-una batisfera/ 11.09.2010
Figura 2.
Figura 3.
http://wwwscbatrainer.net/ 11.09.2010
Figura 4.
http://www.geotermiamarche.it/geotermia 11.09.2010
Figura 5.
schema costruito a mano a partire da dati estratti dalla teoria
Figura 6.
http://it.wikipedia.org/wiki/Dorsale_oceanica 14.11.2010
Figura 7. http://discoverytimes.blogspot.com/2008/11/black-smoker-discovered-alongwith-500.html 01.10.2010
Figura 8. http://www.isegretidelmare.it/luce.asp 05.10.2010
Figura 9. http://leondardodavinci.csa.fi.it/studenti/altrimondi/ambienti/ambienti3.html
25.09.2010
Figura 10. schema costruito a mano a partiere da dati estratti dalla teoria
Figura 11. http://oceanservice.noaa.gov/education/yos/multimedia/ocanexplorer.noaa.gov/o
ceanexplorer.noaa.gov/explorations/06fire/background/microbiology/media/univ
ersal-tree2hotbugs.html 11.09.2010
Figura 12. http://www.oceanservice.noaa.gov 01.10.2010
Figura 13. http://sciencieblogs.com/afarensis/2006/02/tubewormsandtheimpactofev.php
11.09.2010
Figura 14. catena alimentare costruita a mano a partire da immagini ricavate da vari siti
Figura 15. “The ecology of deep-sea hydrotermal vents” Cindy Lee Van Dover, Capitolo 8
pagina 229
Figura 16. http://www.poppe-images.com/?=17&photid=918488 01.10.2010
Figura 17. schema costruito a mano
7.3 Allegati
http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/02sab/logs/summary/Leg3_Summary.pdf
Questo documento presenta il resoconto pubblicato dalla NOAA di una serie di ricerche
svolte da questo ente con l’obbiettivo di ricercare nuovi organismi, studiarli e sfruttarne le
caratteristiche utili, al fine di creare nuovi medicamenti.
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Laura Gulfi
Lavoro di Maturità in biologia e geografia:
La vita attorno alle bocche idrotermali – Le ricadute dello studio di queste comunità biologiche
8 Indice
LA VITA ATTORNO ALLE BOCCHE IDROTERMALI...............................................................1
1 Scelta del tema e obbiettivi del Lavoro di Maturità.................................................................2
1.1 Scelta del tema ............................................................................................................2
1.2 Gli obbiettivi..................................................................................................................3
2
La scoperta delle bocche idrotermali................................................................................4
3
Caratteristiche geografiche, chimiche e fisiche ................................................................6
3.1 Nascita e struttura delle bocche idrotermali .................................................................6
3.2 Posizione geografica delle bocche idrotermali .............................................................8
3.3 Dati fisici e chimici delle bocche idrotermali .................................................................9
4
La comunità biologica.....................................................................................................12
4.1 I batteri chemiosintetici e la chemiosintesi .................................................................12
4.2 La simbiosi .................................................................................................................16
4.3 La rete alimentare ......................................................................................................17
5
Gli sviluppi dello studio ...................................................................................................20
5.1 Le biotecnologie .........................................................................................................20
5.2 La teoria della nascita della vita sulla terra ................................................................22
6 Conclusioni ..........................................................................................................................25
7
Bibliografia......................................................................................................................27
7.1
Fonti bibliografiche e siti internet ..............................................................................27
7.2 Fonti illustrazioni...........................................................................................................29
7.3 Allegati ........................................................................................................................29
8
Indice..............................................................................................................................30
30