Sorgenti idrotermali: classificazione e organismi tipici

Gli ambienti estremi sono tra gli habitat meno studiati nel mondo scientifico, sia per la difficile accessibilità sia perché la loro importanza è emersa solo recentemente. Lo studio e la caratterizzazione degli organismi che vivono in questi habitat è tuttavia fondamentale per la scoperta di caratteri biologici che potrebbero rivelarsi chiavi di volta in diversi settori, ad esempio in ambito medico o biotecnologico. In questo articolo prenderemo in esame le sorgenti idrotermali.

Classificazione delle sorgenti idrotermali

Le sorgenti idrotermali (in inglese hydrothermal vents) sono dei camini che si trovano sul fondale marino dai quali fuoriesce acqua riscaldata geotermicamente. Solitamente questi si trovano in prossimità delle dorsali oceaniche e di zone vulcanicamente attive. Le hydrothermal vents sono ecosistemi che rivestono un ruolo importante nel ricircolo dei nutrienti. Attraverso queste fratture nella crosta oceanica, energia e minerali vengono infatti trasferiti in mare direttamente dal mantello terrestre.

Le hydrothermal vents possono essere classificate in due sottocategorie a seconda della profondità alla quale si formano: le sorgenti idrotermali poco profonde (shallow water hydrothermal vents, SWVs) e le sorgenti idrotermali profonde (deep water hydrotermanl vents, DWVs).

Sorgenti idrotermali poco profonde

Le shallow water hydrotermal vents sono distribuite globalmente fino alla profondità di 200 m. Questa è fissata come limite inferiore di distribuzione in quanto la luce non riesce a penetrare oltre^[1].

Le SWVs sono principalmente associate al calore generato dalla tettonica delle placche. La temperatura più alta registrata da un subacqueo è di circa 135°C a 22 m di profondità. L’ambiente che si crea in prossimità delle SWVs è ricco in minerali come ferro e zolfo, di conseguenza questi luoghi sono popolati da organismi batterici che ossidano lo zolfo appartenenti ai gruppi degli alfa-, beta- e gammaproteobatteri.

Recentemente è stata dimostrata anche la presenza di epsilonproteobatteri in zone con temperature comprese tra i 35 e 55°C e con alte concentrazioni di acido solfidrico. Data la presenza di luce, oltre a questi organismi chemiolitotrofi sono presenti anche organismi fotoautotrofi.

L’alternanza di condizioni in cui c’è presenza ed assenza di ossigeno porta allo sviluppo di un pattern unico di metabolismi aerobici e anaerobici tipico di questi ambienti. Una tra le più famose shallow hydrothermal vents si trova in prossimità del castello Aragonese ad Ischia. Questo è uno dei più importanti siti di studio per gli effetti dell’acidificazione degli oceani. Dato il massivo rilascio di CO₂ dal fondale marino si assiste ad un decremento del pH (acidificazione degli oceani).

Sorgenti idrotermali profonde

Le deep water hydrothermal vents sono ambienti che potrebbero sembrare ostili alla vita per le condizioni estreme presenti come ad esempio le elevate temperature raggiunte dall’acqua, ma anche la completa assenza di luce. Sono proprio queste caratteristiche particolari a rendere le DWVs un ecosistema unico sulla Terra e che in quanto tale è una riserva di organismi mai osservati prima d’ora. Le DWVs sono situate in prossimità delle dorsali oceaniche e la più profonda conosciuta è situata a 5000 m sotto il livello del mare. In questo habitat sono presenti diversi organismi, con metabolismi unici nel loro genere e adattati alle caratteristiche dell’ambiente circostante.

La produzione primaria di nutrienti non è la stessa che troviamo in superficie, ma è dettata da reazioni con le quali non abbiamo molta familiarità. Proprio per l’assenza di luce la fotosintesi è infatti un processo non presente in questo ecosistema. In superficie la produzione primaria è a carico degli organismi fotoautotrofi che usano l’energia solare per trasformare la CO₂ in carbonio organico attraverso la fotosintesi, mentre nelle DWVs l’energia usata dai chemioautotrofi è data dai composti chimici inorganici rilasciati dalle vent.

Le DWVs sono state scoperte casualmente grazie all’escursione termica provocata nell’ambiente circostante. In prossimità di queste strutture l’acqua assume valori di temperatura compresi tra i 60 e 464°C, mentre solitamente si aggira intorno ai 2°C. Una particolarità di queste aree è che l’acqua che normalmente passerebbe allo stato gassoso poco sopra i 100°C in queste condizioni non lo fa. Questo fenomeno è dovuto alla forte pressione idrostatica esercitata dall’immensa colonna d’acqua soprastante.

Le DWVs possono essere suddivise in due sottocategorie a seconda del colore delle loro emissioni: fumarole bianche e fumarole nere (in inglese white smokers e black smokers).

I black smokers (Fig. A) appaiono come camini di grandi dimensioni che emettono acqua di colore scuro. L’acqua emessa raggiunge temperature molto più elevate rispetto a quella emessa dai white smokers. La composizione chimica dell’acqua è arricchita con numerosi minerali, in particolare il solfuro. Questi, quando vengono in contatto con l’acqua marina, precipitano e costituiscono le strutture a camino tipiche dei black smokers che talvolta possono raggiungere anche l’altezza di 50 m.

I white smokers (Fig. B)sono caratterizzati da colonne di acqua di colore più chiaro dovute alla diversa composizione chimica; bario, calcio e siliconi sono i principali minerali liberati in queste zone^[2].

Principali organismi delle sorgenti idrotermali

Le sorgenti idrotermali sono state da sempre considerate un ambiente ostile allo sviluppo e alla riproduzione delle forme di vita, ma recentemente questi ambienti sono stati rivalutati. Lo studio del mare profondo è uno dei settori in maggiore espansione data l’enorme quantità di pool genici isolati in queste aree e la scarsità di informazioni a proposito di questi.

Organismi unicellulari

Moltissimi organismi unicellulari sono stati isolati da questi ambienti.Un esempio è Caminibacter mediatlanticus, un batterio gram-negativo appartenente alla classe degli epsilonproteobatteri. C. mediatlanticus è un organismo chemioautotrofo, anaerobico o microaerofilo (prolifera in assenza di ossigeno o in presenza di minime quantità). Cresce a temperature tra 45 e 70°C (optimum a 55°C) e a pH compresi tra 4,5 e 7,5 (optimum a 5,5). Questo batterio usa l’idrogeno molecolare (H₂) come fonte di energia e la CO₂ come fonte di carbonio, mentre nitrato (NO₃^–) e zolfo come accettori di elettroni; i prodotti di scarto della reazione sono ammoniaca (NH₃) e acido solfidrico (H₂S)^[3].

I nutrienti emessi dalle hydrothermal vents, una volta entrati in sospensione nella colonna d’acqua, precipitano anche a diversa distanza dalla sorgente. In questo modo si creano delle zone adatte alla sopravvivenza di organismi come Sulfurimonas autotrophica che non riuscirebbero a vivere in prossimità delle sorgenti idrotermali a causa delle temperature troppo elevate. S. autotrophica è un gram-negativo e, come C. mediatlanticus, appartiene alla classe degli epsilonproteobatteri. È un organismo strettamente aerobico e mesofilo, che vive cioè a temperature comprese tra i 10 e 40°C (optimum a 23-26°C) e a pH compresi tra 4,5 e 9,0 (optimum a 6,0-7,5)^[4].

Alvinella pompejana

A. pompejana appartiene al phylum degli anellidi e alla classe dei policheti. Il suo nome deriva dalla distruzione della città di Pompei nel 79 d.C. ad opere del Vesuvio. Il nome della famiglia Alvinellidae deriva dal nome del sottomarino Alvin, che esplora le profondità marine e che è stato utile nella scoperta di questi magnifici animali. Essa colonizza tipicamente le pareti dei camini dei black smokers lungo la dorsale dell’Oceano Pacifico Orientale. Vive in strutture secrete dall’animale stesso e l’unica parte dell’animale che fuoriesce dalla struttura è la parte superiore. Questa è costituita da branchie di colore rosso determinato dalla presenza di emoglobina. La parte terminale dell’animale è a contatto con il suolo che raggiunge gli 80°C mentre la parte apicale delle branchie è a contatto con l’ambiente esterno con temperature che hanno temperatura intorno ai 20°C.

A. pompejana raggiunge lunghezze comprese tra i 10 e 15 cm. Il corpo ha un colore grigiastro ed è rivestito da molteplici filamenti che potrebbero sembrare delle protuberanze dell’animale stesso. In realtà, sono colonie di batteri che vivono in simbiosi con esso, nonché i principali responsabili del successo dell’animale nel colonizzare questi ambienti estremi.

È stato ipotizzato che questi microorganismi servano all’animale per nutrirsi e detossificare l’ambiente circostante da metalli pesanti e composti tossici. Sono stati effettuati studi molecolari della popolazione batterica ed è stato dimostrato che la simbiosi avviene con gli epsilonproteobatteri^[5]; tra questi sono stati riconosciuti Caminibacter hydrogeniphilus e Nautilia lithotrophica, entrambi batteri termofili e riduttori dello zolfo^[3].

Riftia pachyptila

Anche questo animale appartiene al phylum degli anellidi e alla classe dei policheti. R. pachyptila vive in prossimità dei black smokers nell’oceano Pacifico e venne scoperta nel 1977 in una spedizione realizzata a bordo del sottomarino Alvin. L’animale raggiunge i 3 m di lunghezza e 5 cm di diametro e proprio per questo sono denominati vermi-tubo giganti^[6].

Allo stadio adulto questi animali non presentano uno stomaco, ma un organo chiamato trofosoma che è lungo quasi quanto metà dell’animale. Questo contiene batteri ossidanti lo zolfo che usano acido solfidrico (H₂S) e ossigeno, producendo cristalli di zolfo. Con questo processo è prodotta energia utile sia per il batterio che per l’animale che li ospita.

Lo stadio larvale di Riftia è natante, dopodiché passa ad una forma sessile ancorandosi al fondale. In quel punto trascorrerà il resto della propria vita. I batteri simbiotici non sono presenti da sempre all’interno dell’animale, ma migrano attraverso l’epidermide fino a raggiungere il trofosoma quando la larva si stabilisce.

La chitina che va a costituire il tubo all’interno del quale R. pachiptila cresce è secreta dall’animale stesso. L’unica porzione che fuoriesce da esso sono le branchie, che hanno un colore rosso conferito dall’emoglobina. Attraverso queste l’animale capta dall’ambiente acido solfidrico e ossigeno che attraverso il sistema circolatorio giunge al trofosoma^[7].

Conclusioni

In conclusione si può affermare che ambienti che in principio sembravano deserti ed inospitali sono in realtà ricchi di forme per lo più sconosciute al mondo scientifico. Proprio per questo è fondamentale continuare lo studio e l’esplorazione di questi ambienti in modo sostenibile e non distruttivo.

Referenze

1. Price, R. E., & Giovannelli, D. (2017). A review of the geochemistry and microbiology of marine shallow-water hydrothermal vents. Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences;
2. National Geographic – Deep Sea Hydrothermal Vents;
3. Voordeckers, J. W. et al. (2005). Caminibacter mediatlanticus sp. nov., a thermophilic, chemolithoautotrophic, nitrate-ammonifying bacterium isolated from a deep-sea hydrothermal vent on the Mid-Atlantic Ridge. International journal of systematic and evolutionary microbiology, 55(2), 773-779;
4. Inagaki, F. et al. (2003). Sulfurimonas autotrophica gen. nov., sp. nov., a novel sulfur-oxidizing ε-proteobacterium isolated from hydrothermal sediments in the Mid-Okinawa Trough. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 53(6), 1801-1805;
5. Campbell, B. J et al. (2003). Evidence of chemolithoautotrophy in the bacterial community associated with Alvinella pompejana, a hydrothermal vent polychaete. Appl. Environ. Microbiol., 69(9), 5070-5078;
6. McCain, C. R., et al. (2015). Sizing ocean giants: patterns of intraspecific size variation in marine megafauna. PeerJ, 3: e715;
7. Anatomy of a Giant Tube Worm.