La Città Perduta e i suoi rari abitanti

Biofilm mucillaginosi coprono la matrice porosa di carbonato minerale dei camini attivi del campo idrotermale di Lost City (LCHF). La “città perduta” si trova 15km ad ovest dell’asse della dorsale medio-atlantica che si espande ad una profondità di circa 750m. William J. Brazelton, della Scuola di Oceanografia e Centro di Astrobiologia ed Evoluzione dell’Università di Washington, si è dedicato insieme ad

Biofilm mucillaginosi coprono la matrice porosa di carbonato minerale dei camini attivi del campo idrotermale di Lost City (LCHF). La “città perduta” si trova 15km ad ovest dell’asse della dorsale medio-atlantica che si espande ad una profondità di circa 750m. William J. Brazelton, della Scuola di Oceanografia e Centro di Astrobiologia ed Evoluzione dell’Università di Washington, si è dedicato insieme ad alcuni colleghi allo studio di questo ambiente, pubblicando infine un articolo su PNAS.

La composizione chimica dei fluidi dei camini idrotermali è governata dalle reazioni geochimiche esotermiche che avvengono sulla superficie, liberando calore in un processo noto come serpentinizzazione. Queste reazioni si registrano comunemente in altri ambienti della Terra e si pensa avvengano anche in altri pianeti che ospitino fluidi acquosi: la serpentinizzazione è ad esempio la sorgente più probabile di metano su Marte. L’abilità di ambienti come questi di generare composti organici ridotti in modo esotermico (senza bisogno di energia esterna) ed abiotico li rende scenari plausibili dell’origine e della prima evoluzione della vita.

Recenti rilevamenti ad elevata sensibilità di diversi campioni ambientali (inclusi bassi fondali, oceani profondi, fluidi idrotermali, tundra artica e vari suoli) hanno rivelato che la stragrande maggioranza della diversità  microbica degli habitat è costituita da taxa molto rari, tanto da essere stati per lungo tempo non rilevabili. Gli organismi più  abbondanti rappresentano al contrario solo una piccola frazione della diversità totale. L’elevata variabilità degli organismi rari indica che si sono evoluti su lunghi periodi di tempo e che, almeno alcuni, si erano preadattati alle condizioni ambientali che si sono verificate in passato e potrebbero verificarsi di nuovo in futuro. Secondo questo modello, detto della “biosfera rara”, si può prevedere che quando le condizioni ambientali cambiano, alcuni di questi taxa rari e preadattati possano rapidamente sfruttare le nuove condizioni, aumentando la propria presenza e controbilanciando in numero gli organismi precedentemente maggioritari che erano adattati alle passate condizioni. Nessuno studio ha finora testato questa predizione. La longevità e la scarsa biodiversità dei camini carbonatici dell’LCHF fornisce però un test unico per il modello della “biosfera rara”.

Brazelton e i suoi colleghi hanno così studiato se queste comunità a bassa diversità ospitassero in realtà specie molto varie, ma rare e hanno inoltre cercato di correlare i dati biologici con le età  dei camini campionati, registrando nel contempo le misurazioni di datazione.

Questo studio evidenzia come la diversità negli archaea sia estremamente bassa a Lost City: più del 90% delle sequenze trovate in ciascun campione appartiene ad una sola OTU (unità tassonomica operativa, cioè un’ipotetica specie o livello tassonomico superiore). Questa dominanza estrema di una singola specie (o filotipo) all’interno di ambienti idrotermali è unica: in altri camini idrotermali dove dominano i metanogeni (organismi produttori di metano), diverse altre specie sono presenti, adattate ai vari substrati metabolici.

Studi precedenti hanno dimostrato che il biofilm contiene 106-109 cellule per grammo di carbonato minerale e che più dell’80% di queste appartiene ad un singolo filotipo di archaea noto come Methanosarcinales di Lost City (LCMS).

Un aspetto particolarmente interessante di Lost City è la sua vita particolarmente lunga: studi di datazione indicano che le emissioni sono presenti da almeno 30000 anni, con singoli camini attivi da oltre 300 anni. Quindi le condizioni all’interno dei camini di Lost City possono aver contribuito alla crescita dei Methanosarcinales per diecimila o addirittura centomila anni ed è possibile che questa specie di archaea sia rimasta il membro dominante dell’ecosistema per tutto questo tempo. In questo caso sarebbe l’unico ecosistema a noi noto caratterizzato da una così bassa diversità ed una così lunga vita.

Man mano che i camini diventano meno attivi, cambiamenti nella mineralogia e nella chimica dei fluidi causano una variazione nella fauna, con organismi precedentemente minoritari che diventano la maggioranza. Ad esempio, camini con emissioni molto scarse non contengono biofilm di Methanosarcinales. In questi casi diventa invece dominante un filotipo appartenente ad un gruppo di archaea anaerobici metanotrofi.

Lungo le pareti esterne dei camini carbonatici, dove mineralogia e chimica dei fluidi sono notevolmente differenti, i camini ospitano batteri simili ai solfo- e metano- ossidatori. Tuttavia, gli archaea rimangono molto abbondanti anche all’esterno in fumarole con fluidi di temperature superiori ai 90°C e con pH particolarmente elevati. Anche la comunità  batterica è dominata da un piccolo numero di specie, ma l’identità  della specie dominante spesso differisce tra i diversi campioni (e quindi i diversi camini).

Le differenze tassonomiche tra i diversi camini di varie età sono più probabilmente causate dalle differenze nella mineralogia e chimica dei fluidi ed entrambi questi fattori cambiano con trend predicibili durante il ciclo di formazione, crescita e senescenza della fumarola. Su corte scale temporali, tuttavia, fluttuazioni nella chimica possono influire sulle comunità microbiche indipendentemente dalla mineralogia e dall’età del camino, influenzando in modo differente diversi organismi. Lo studio preliminare mostra che, in generale, l’età può essere un utile indicatore della composizione della comunità batterica.

Le comunità degli archaea, al contrario, sembrano essere maggiormente influenzate dalla chimica dei fluidi se si confrontano campioni più giovani di 150 anni circa. Quindi questi microrganismi potrebbero non venire influenzati dai cambiamenti nella mineralogia finché la chimica dei fluidi (ad esempio nelle concentrazioni di idrogeno molecolare e metano) rimane costante.

Non c’è alcuna ragione di aspettarsi importanti differenze tra i giovani camini oggi attivi e le giovani fumarole che erano attive migliaia di anni fa. Se le condizioni ambientali generalmente determinano la composizione della comunità microbica, batteri ed archaea che abitano oggi i camini dovrebbero essere simili a quelli che abitavano camini di età simile centinaia o migliaia di anni fa. In conclusione, esiste una connessione chiara tra la composizione della comunità microbica e le condizioni geochimiche caratteristiche di camini di determinate età.

I cambiamenti nella composizione delle comunità osservati non riflettono nuovi eventi di speciazione. Piuttosto, gli organismi selezionati positivamente nelle nuove condizioni già esistevano a bassi livelli prima del cambiamento ambientale: erano preadattati. Ovvero le loro caratteristiche prima latenti in quanto non vantaggiose né svantaggiose sono state successivamente positivamente selezionate in quanto divenute particolarmente favorevoli alle nuove condizioni. Perciò, la rara biosfera della comunità  microbica di Lost City rappresenta un ampio deposito di memoria genetica generatosi durante una lunga storia di passati cambiamenti ambientali che hanno selezionato nuove specie all’interno di un piccolo gruppo di organismi che originariamente colonizzarono questo ambiente estremo. I rari organismi sono stati in grado di sfruttare nuove nicchie in quanto già selezionati per le stesse condizioni in passato. Sembra quindi pienamente applicabile il modello della “biosfera rara” a questa città perduta negli abissi.

Ilaria Panzeri


Riferimenti:
William J. Brazelton, Kristin A. Ludwig, Mitchell L. Sogin, Ekaterina N. Andreishcheva, Deborah S. Kelley, Chuan-Chou Shen, R. Lawrence Edwards and John A. Baross. Archaea and bacteria with surprising microdiversity show shifts in dominance over 1,000-year time scalesin hydrothermal chimneys. PNAS, 107(4): 1612-1617, 2010

Fonte dell’immagine: Wikimedia Commons