Mare di Ross, il nuovo pozzo di CO2 scoperto negli abissi

Per molto tempo il fondo degli oceani è stato raccontato come il luogo in cui la vita rallenta fino quasi a scomparire. Temperature prossime allo zero, pressioni enormi, assenza di luce e scarsità di risorse sembravano delineare un ambiente dominato soprattutto dalla decomposizione della materia organica prodotta in superficie.

Il Mare di Ross, in Antartide, racconta invece una storia molto più complessa.

Nelle sue acque profonde, fino a 2.000 metri sotto la superficie, esistono comunità microbiche capaci di utilizzare carbonio inorganico disciolto e trasformarlo in nuova materia organica anche quando la luce solare non può arrivare.

È il risultato di uno studio coordinato da Mauro Celussi dell’Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale e realizzato con ricercatori del Cnr-Irbim, che ha analizzato il metabolismo dei microrganismi nelle principali masse d’acqua profonde del Mare di Ross.

La scoperta è importante per un motivo preciso: una parte della fissazione del carbonio che avviene negli abissi potrebbe essere stata finora sottovalutata nei bilanci del carbonio oceanico.

Le stime elaborate dai ricercatori indicano che il carbonio fissato nel buio potrebbe equivalere a circa il 5% del sink annuale di CO2 del Mare di Ross.

Non significa che i microrganismi possano compensare le emissioni prodotte dalle attività umane. Significa, però, che una componente del sistema oceanico capace di sottrarre carbonio inorganico dall’acqua potrebbe avere un peso maggiore di quanto considerato nei modelli precedenti.

Cosa succede negli abissi del Mare di Ross

Il cuore della ricerca è un processo chiamato fissazione del carbonio inorganico disciolto, o DIC.

In termini semplici, alcuni microrganismi riescono a prendere carbonio presente nell’acqua sotto forma inorganica e incorporarlo nella propria biomassa. È un meccanismo che ricorda, per certi aspetti, ciò che fanno le piante sulla terraferma e il fitoplancton negli strati illuminati dell’oceano.

La differenza è fondamentale.

Qui non c’è luce.

A quelle profondità la fotosintesi non può funzionare. Gli organismi devono quindi procurarsi energia attraverso reazioni chimiche, sfruttando sostanze inorganiche disponibili nell’ambiente.

È il mondo della chemoautotrofia, una strategia metabolica che consente a batteri e archaea di produrre materia organica senza dipendere direttamente dalla radiazione solare.

Il nuovo studio mostra che questo meccanismo è attivo anche nelle acque profonde del Mare di Ross e che la sua intensità non è trascurabile.

Le incubazioni effettuate su campioni raccolti tra 200 e 2.000 metri hanno evidenziato tassi di fissazione del carbonio inorganico compresi tra circa 0,03 e 3,12 nanomoli di carbonio per litro al giorno.

Numeri minuscoli se osservati per singolo litro.

Ma l’oceano è un sistema gigantesco.

Quando un’attività microscopica viene moltiplicata per miliardi di metri cubi d’acqua, può trasformarsi in un fenomeno biogeochimico capace di incidere sui bilanci complessivi di un intero bacino.

I microrganismi che catturano carbonio senza luce

L’analisi microbiologica ha permesso di individuare alcuni dei principali candidati responsabili della fissazione del carbonio.

Tra questi ci sono le archaea nitrificanti della famiglia Nitrosopumilaceae e gruppi batterici come SUP05 e SAR324.

Sono nomi che al grande pubblico dicono poco, ma rappresentano componenti importanti del microbioma oceanico profondo.

Le Nitrosopumilaceae sono archaea specializzate nell’ossidazione dell’ammoniaca. In questo processo ricavano energia da una reazione chimica e possono utilizzare quell’energia per sostenere la fissazione del carbonio.

SUP05 e SAR324 appartengono invece a gruppi microbici noti per la loro capacità di sfruttare composti dello zolfo e altre fonti di energia chimica.

Il risultato è un ecosistema nel quale la produzione di nuova materia organica non dipende necessariamente dal Sole.

Questa caratteristica cambia la nostra percezione degli oceani profondi.

Il buio non significa assenza di produzione biologica. Significa piuttosto che la produzione può essere alimentata da una rete di reazioni chimiche invisibili, distribuite nella colonna d’acqua.

Tre masse d’acqua raccontano una storia diversa

La ricerca ha individuato attività di fissazione del DIC in tre importanti masse d’acqua del Mare di Ross.

La prima è la High Salinity Shelf Water, l’acqua di piattaforma ad alta salinità che si forma in relazione ai processi di congelamento e alle dinamiche della piattaforma antartica.

La seconda è la Circumpolar Deep Water, una massa d’acqua profonda collegata alla circolazione dell’Oceano Meridionale.

La terza è l’Antarctic Bottom Water, l’acqua di fondo antartica che ha un’importanza enorme per la circolazione globale degli oceani.

Quest’ultimo elemento rende la scoperta particolarmente interessante.

Il Mare di Ross non è infatti un bacino isolato. È uno dei luoghi nei quali si formano acque fredde e dense capaci di scendere verso il fondo e contribuire alla grande circolazione oceanica.

Quando queste masse d’acqua si muovono, trasportano con sé anche le conseguenze delle attività biologiche che si sono svolte al loro interno.

Il carbonio fissato dai microrganismi può quindi entrare in una rete di trasformazioni molto più ampia di quella locale.

Perché il 5% può essere un dato importante

Il numero che più colpisce è naturalmente quel 5%.

Bisogna però interpretarlo correttamente.

I ricercatori stimano che la fissazione microbica del carbonio nelle acque profonde rappresenti circa il 5% del pozzo annuale di carbonio inorganico disciolto del Mare di Ross.

Non significa che il Mare di Ross assorba il 5% delle emissioni mondiali di CO2.

Non significa nemmeno che quel carbonio venga automaticamente sequestrato per centinaia o migliaia di anni.

Il significato è più sottile e, proprio per questo, scientificamente interessante.

Una quota misurabile del flusso di carbonio del bacino passa attraverso un processo biologico che avviene sotto la zona illuminata.

È un tassello che può modificare la rappresentazione del ciclo del carbonio oceanico.

Il mare assorbe CO2 attraverso diversi meccanismi. Una parte viene regolata dalla fisica e dalla chimica dell’acqua; un’altra passa attraverso gli organismi e la cosiddetta pompa biologica del carbonio.

Il fitoplancton cattura carbonio negli strati superficiali. Una parte della materia organica prodotta affonda. Nel frattempo, batteri e altri organismi la degradano e trasformano nuovamente il carbonio.

La nuova ricerca aggiunge un altro livello: anche nelle acque profonde può verificarsi produzione biologica di nuova materia organica a partire dal carbonio inorganico.

Il Mare di Ross è un laboratorio naturale del clima

Il valore della scoperta aumenta considerando le caratteristiche del Mare di Ross.

È una delle regioni oceaniche biologicamente più produttive del pianeta e svolge un ruolo importante nei processi che regolano lo scambio di carbonio tra atmosfera, superficie oceanica e profondità.

La sua posizione antartica lo rende inoltre particolarmente sensibile alle trasformazioni climatiche.

Il cambiamento delle temperature, la perdita di ghiaccio marino, l’acidificazione e le modifiche della circolazione oceanica possono alterare contemporaneamente disponibilità dei nutrienti, struttura delle comunità microbiche e velocità delle reazioni chimiche.

Questo significa che il comportamento dei microrganismi non può essere considerato un dettaglio marginale.

Se cambiano le condizioni ambientali, potrebbe cambiare anche il modo in cui il carbonio viene trasformato e trasferito attraverso la colonna d’acqua.

Ed è qui che la ricerca apre una domanda più grande.

Cosa accadrà con il cambiamento climatico

Sapere che questi microrganismi fissano carbonio è soltanto il primo passo.

Il problema successivo è capire quanto sia stabile questo processo.

Una variazione della temperatura può modificare il metabolismo microbico. L’acidificazione può cambiare la disponibilità di alcune forme di carbonio e la fisiologia degli organismi. La riduzione o l’aumento dell’ossigeno può influenzare le reazioni utilizzate per ottenere energia.

Anche la quantità di materia organica che arriva dalla superficie può essere determinante.

Lo studio indica infatti che la fissazione del DIC risulta particolarmente rilevante in condizioni caratterizzate da elevate concentrazioni di carbonio organico particolato.

Il sistema profondo, quindi, non funziona come una macchina indipendente dalla superficie.

La vita degli abissi è collegata a ciò che accade molto più in alto nella colonna d’acqua.

Questa connessione potrebbe diventare ancora più importante in un oceano sottoposto a trasformazioni rapide.

La parte più sorprendente: l’oceano profondo non è un semplice deposito

Per decenni l’immagine del carbonio oceanico è stata costruita soprattutto attorno a un’idea lineare: la superficie produce, la materia organica affonda e la profondità riceve e ricicla.

Il nuovo quadro è più dinamico.

Negli abissi esistono organismi che non si limitano a consumare la materia organica proveniente dall’alto, ma possono anche costruire nuova biomassa utilizzando carbonio inorganico.

È una differenza concettuale importante.

Significa che la profondità oceanica non è soltanto il luogo dove il carbonio viene depositato, trasformato o remineralizzato. È anche un ambiente nel quale può verificarsi una forma di produzione primaria indipendente dalla luce.

Questa produzione non è paragonabile, per quantità, alla fotosintesi globale del fitoplancton. Ma non deve esserlo per essere importante.

La biogeochimica oceanica è fatta di moltissimi processi piccoli, spesso invisibili, che sommati determinano il comportamento complessivo del sistema.

La sfida per i modelli del carbonio

Il risultato più interessante della ricerca potrebbe quindi essere quello che non si vede immediatamente nei numeri.

I modelli del ciclo del carbonio devono rappresentare correttamente tutti i processi che regolano l’assorbimento e la trasformazione della CO2.

Se una componente microbica viene esclusa o sottostimata, il bilancio complessivo può risultare incompleto.

Il 5% stimato per il Mare di Ross non implica necessariamente un errore equivalente nelle stime globali. Il Mare di Ross ha caratteristiche particolari e non può essere semplicemente preso come rappresentativo di tutti gli oceani.

Ma la scoperta dimostra che il fenomeno merita attenzione.

E c’è un altro elemento da considerare: microrganismi appartenenti a gruppi come SAR324 e SUP05 sono presenti in diverse regioni dell’oceano profondo.

Questo non significa che ovunque producano carbonio allo stesso ritmo. Significa però che il meccanismo potrebbe avere una distribuzione più ampia di quella osservata nel solo Mare di Ross.

Per determinarlo serviranno nuove campagne, nuove misurazioni e soprattutto dati raccolti in differenti stagioni e condizioni oceanografiche.

Dalla nave Italica agli abissi dell’Antartide

La ricerca nasce da campagne oceanografiche realizzate nell’ambito del progetto DEEPROSSS, con campionamenti effettuati a bordo della nave da ricerca R/V Italica.

Gli esperimenti hanno previsto decine di incubazioni su campioni provenienti dalle diverse profondità.

È un dettaglio essenziale per capire la portata del risultato.

Studiare il metabolismo microbico nell’oceano profondo significa lavorare con organismi che vivono in condizioni estreme e che possono reagire rapidamente quando vengono portati in laboratorio.

Per questo la misurazione deve essere estremamente accurata.

I ricercatori hanno combinato le misure dei processi di fissazione del carbonio con l’analisi delle comunità microbiche, cercando di collegare l’attività osservata agli organismi potenzialmente responsabili.

Il quadro che emerge è quello di una comunità specializzata, capace di sfruttare fonti energetiche chimiche anche nelle acque fredde e buie dell’Antartide.

Una scoperta che cambia il modo di guardare sotto il ghiaccio

L’immagine dell’Antartide è spesso dominata dal ghiaccio, dai ghiacciai e dall’evoluzione della calotta continentale.

Ma sotto quella superficie esiste un mondo biologico enorme.

Nel Mare di Ross, la ricerca scientifica sta mostrando che il sistema climatico non può essere compreso osservando soltanto il ghiaccio o l’atmosfera.

Anche miliardi di microrganismi invisibili possono contribuire a determinare il destino del carbonio.

Sono organismi privi di visibilità, ma inseriti in un sistema planetario.

Il loro lavoro avviene nel buio, a centinaia o migliaia di metri di profondità, eppure può avere conseguenze sulla nostra comprensione di un problema globale: la capacità degli oceani di assorbire e trasformare la CO2.

La vera sorpresa della ricerca sul Mare di Ross non è dunque soltanto che esista vita nelle profondità antartiche.

È che quella vita sta lavorando attivamente sul carbonio.

E potrebbe farlo su una scala abbastanza grande da meritare un posto nei modelli climatici del futuro.

Per gli scienziati, il prossimo obiettivo sarà capire quanto sia esteso il fenomeno, quanto a lungo il carbonio fissato rimanga nella biomassa o venga trasferito ad altri comparti dell’ecosistema e come il processo reagisca alle trasformazioni dell’oceano antartico.

La risposta potrebbe cambiare ancora una volta la nostra idea dell’oceano come semplice serbatoio.

Perché nelle sue profondità più fredde e più buie, dove sembrava esserci soprattutto consumo e riciclo, esiste invece anche una forma di produzione.

E quella produzione potrebbe rappresentare un tassello finora nascosto del grande sistema naturale che regola il carbonio sulla Terra.