Le sorgenti fredde: ecosistemi marini basati sugli idrocarburi Understand article

Tradotto da Paolo Sudiro. David Fischer ci guida in un viaggio sul fondo del mare per imparare qualcosa riguardo alle sorgenti fredde – i loro ecosistemi, il l loro potenziale come fonti di carburanti ed il loro possibile coinvolgimento nel riscaldamento globale.

Che cosa sono le sorgenti fredde?

Migliaia di granchi bianchi
pascolano su un ampio
tappeto di mitili in una
sorgente fredda al largo della
costa del Pakistan

Immagine gentilmente
concessa daMARUM, Bremen
University

Le sorgenti fredde sono spesso oasi per gli organismi microbici e la macrofauna sul fondo del mare – simili ai condotti idrotermali, dove acque calde sgorgano ad alta pressione a diversi chilometri di profondità dai fondali marini (vedi Little, 2010). Tuttavia, al contrario dei condotti idrotermali, le sorgenti fredde possono trovarsi a profondità marine variabili da pochi metri a diversi chilometri, spesso lungo i margini continentali.

Si tratta di luoghi dove gli idrocarburi – principalmente metano, ma anche etano, propano, o addirittura petrolio, sgorgano dai sedimenti. Diversamente dai condotti idrotermali, i fluidi che fuoriescono (gas e liquidi) non sono più caldi dell’acqua marina circostante e non sono necessariamente ad alta pressione.

Questi idrocarburi si formano fino a diversi chilometri al disotto della superficie del sedimento, quando la materia organica viene degradata dalle alte temperature o dai microorganismi. Quando gli idrocarburi vengono prodotti in grandi quantità, o dove le spinte tettoniche comprimono i sedimenti, i fluidi migrano verso la superficie dei sedimenti attraverso fratture e fessurazioni. I fluidi possono sgorgare con un flusso lento e continuo, oppure avere una portata variabile.

La vita nelle sorgenti fredde: c’è nessuno in casa?

Microbi che coprono una
sorgente fredda in una
regione anossica, dove il
livello di ossigeno nell’acqua
è troppo basso per sostenere
la macrofauna

Immagine gentilmente
concessa da MARUM, Bremen
University

Intorno alle sorgenti fredde si possono trovare diverse affascinanti creature, compresi giganteschi vermi tubiformi, granchi, e specie particolari di mitili e vongole . Come si sostengono questi ecosistemi?

Quasi l’intero fondale marino ospita microorganismi. Comunque, per mantenere un livello significativo di macrofauna in acque profonde, dove non arriva la luce solare, c’è bisogno di acque ricche di ossigeno e di una fonte alternativa di energia – come gli idrocarburi.

Il metano, rilasciato dalle sorgenti fredde, è una simile fonte di energia. L’ossidazione anerobica del metano (OAM) è un processo metabolico, mediato da una simbiosi di archeobatteri metano-ossidanti (metanotrofici) e batteri solfato-riducenti, nel quale il solfato agisce da accettore finale di elettroni.

CH4 + SO42- → HCO3- + HS + H2O

L’OAM avviene in sedimenti marini anossici tutte le volte che si mescolano il metano di origine profonda ed i solfati dell’acqua di mare. I prodotti finali dell’OAM, ioni bicarbonato e solfato, vengono rilasciati nei sedimenti circostanti e nell’acqua dei pori (vedi il glossario per i termini in grassetto).

Le sorgenti fredde sono spesso colonizzate in modo concentrico.
Immagine gentilmente concessa da BGR, da Sahling et al. (2002)

In tutte le località dove ci sono elevate concentrazioni di metano vicino alla superficie del sedimento (come nelle sorgenti fredde), i solfati prodotti dai microorganismi possono alimentare l’intero ecosistema. Le colonie microbiche o faunistiche delle sorgenti fredde possono coprire superfici che variano da 100 cm2 a diverse centinaia di metri quadri. Dove l’acqua dei pori ricca in solfati sgorga dal fondo marino, l’area intorno alla sorgente verrà colonizzata a fasce concentriche attorno a questi punti: più vicino alla sorgente si troveranno gli organismi che tollerano le concentrazioni più elevate degli altrimenti tossici solfati (vedi immagine precedente)..

I vermi tubiformi ospitano batteri chemiosimbiotici nel loro trofosoma. Questa è una sezione di Riftia pachyptila, che si trova in corrispondenza dei condotti idrotermali.
Immagine gentilmente concessa da Enduring Resources for Earth Science Education (ERESE)

Alla base di questi ecosistemi ci sono i batteri metanotrofici e tiotrofici. Alcuni di questi vivono in chemiosimbiosi con mitili (batteri metanotrofici), vongole e vermi tubiformi (batteri tiotrofici). I mitili e le vongole ospitano i batteri nelle loro branchie, mentre i vermi tubiformi proteggono i batteri nel loro trofosoma; i batteri, in cambio, forniscono carbonio organico al loro ospite (sopra).

La formazione ed il destino dei gas idrati

Le sorgenti fredde non sono interessanti solo per gli ecosistemi che ospitano: possono fornire un contributo importante al cambiamento climatico ed essere preziose fonti alternative di idrocarburi per soddisfare il nostro crescente bisogno di energia. Generalmente le sorgenti fredde indicano che sotto il fondo marino si trovano grandi accumuli di idrocarburi ed esse sono relativamente facili da identificare a causa della loro caratteristica colonizzazione da parte di organismi specializzati.

Struttura dei clatrati di gas
idrati

Immagine gentilmente
concessa da IfM-Geomar, Kiel,
Germany
Gas idrati bianchi
consolidano i sedimenti del
fondo marino

Immagine gentilmente
concessa da MARUM, Bremen
University

Particolarmente interessanti da questo punto di vista sono i gas idrati. In questi composti cristallini, simili al ghiaccio, le molecole d’acqua formano una struttura simile ad una gabbia, chiamata clatrato, intorno a singole molecole di gas (vedi l’immagine a sinistra) – che nei gas idrati naturali è principalmente metano. I gas idrati si formano dove l’acqua dei pori è satura di gas metano, all’interno di un ristretto ambito di condizioni di bassa temperatura e alta pressione che si trovano solo in suoli del permafrost profondo – e in sedimenti marini a profondità maggiori di 400 m (vedi l’immagine sottostante). A pressione atmosferica, i gas idrati diventano instabili e si decompongono rapidamente in acqua e gas libero.

I gas idrati racchiudono una grande quantità di energia legata chimicamente: a causa della loro specifica struttura molecolare, un litro di gas idrati contiene 0.8 l di acqua e 164 l di gas metano. Il totale delle risorse energetiche contenute nei gas idrati sulla Terra sono stimate essere più grandi in assoluto di quelle di tutti gli altri combustibili fossili messi insieme.

Diversi paesi, tra cui Stati Uniti, Giappone, Corea del Sud, India e Cina, sono alla ricerca di metodi per sfruttare i gas idrati – in modo sicuro, il che non è un problema banale. Ancora più importante, comunque, è riuscire ad evitare la fusione dei gas idrati. Il riscaldamento globale sta facendo innalzare la temperatura degli oceani e questo potrebbe provocare la fusione a grande scala dei gas idrati nei sedimenti.

Se questi dovessero fondere, il metano rilasciato nell’atmosfera reagirebbe con l’ossigeno atmosferico per formare CO2, amplificando con grande efficacia l’effetto serra. Inoltre, se non vengono danneggiati, i gas idrati agiscono come agenti stabilizzanti delle scarpate continentali. Se invece dovessero fondere le scarpate potrebbero diventare instabili, provocando gigantesche frane sottomarine e tsunami.

Sotto specifiche combinazioni di alta pressione (profondità d’acqua) e bassa temperatura, il metano può cristallizzare con l’acqua per formare gas idrati, come indicato dalla linea del limite di fase. A temperature più alte o profondità minori, invece, il metano si dissolve nell’acqua.
Nell’oceano ci sono ulteriori complicazioni: nella colonna d’acqua la temperatura diminuisce con l’aumentare della profondità , mentre nel sedimento la temperatura aumenta col crescere della profondità. I punti in cui questi profili di temperatura incrociano il limite di fase determina la profondità alla quale possono essere trovati i gas idrati (zona di stabilità dei gas idrati).
Inoltre, è soprattutto nel sedimento che le concentrazioni di metano sono alte abbastanza da formare gas idrati (segnati in bianco) – questi sono stati osservati molto di rado nella colonna d’acqua. Notate che la scala di questo diagramma è un esempio e può variare in funzione delle condizioni

Immagine gentilmente concessa da David Fischer, MARUM

Come studiamo le sorgenti fredde?

MARUM-QUEST 4000m, un
ROV capace di operare fino a
4000 m di profondità,
equipaggiato con un gran
numero di macchine
fotografiche, fari, carotatori e
altri strumenti per
raccogliere dal fondo marino
campioni tanto piccoli quanto
singoli organismi lunghi solo
pochi millimetri

Immagine gentilmente
concessa da MARUM, Bremen
University

Studiare le sorgenti fredde è ovviamente una grande sfida per gli scienziati: come possono essere campionati gas, acqua, sedimenti e organismi fino a diversi chilometri al disotto della superficie del mare? Prima di tutto dovete raggiungere il vostro luogo di campionamento – cosa che può richiedere diversi giorni di navigazione, anche per sorgenti fredde sulla piattaforma continentale, e mantenere una nave da ricerca costa diverse decine di migliaia di Euro al giorno. E quando siete arrivati lì, come fate a raggiungere il fondo del mare? Fino agli anni ’90, il solo modo era immergere speciali strumenti appesi all’estremità di un lungo cavo d’acciaio e recuperarli non appena si erano riempiti di materiale campionato. Questo, ovviamente, rendeva estremamente difficile avere qualsiasi controllo visuale del punto in cui le attrezzature toccavano il fondale.

La situazione è enormemente migliorata con lo sviluppo di una sofisticata tecnologia sottomarina, come i veicoli a controllo remoto (ROV: Remotely Operated Vehicles) e mezzi sottomarini autonomi (AUV: Autonomous Underwater Vehicles), equipaggiati con un insieme di macchine fotografiche, fari e strumenti di campionamento. MARUMw1 ha la propria officina per sviluppare questo tipo di attrezzature e robot per la ricerca oceanica. I ricercatori li utilizzano per indagare le sorgenti fredde facendoli immergere verso specifici punti dai quali raccogliere campioni o fare fotografie di aree più ampie per fornire una visione generale di una zona di sorgente fredda.

C’è ancora un sacco di ricerca da fare riguardo allo sviluppo e la stabilità delle sorgenti fredde nel tempo e poco si conosce ancora sugli animali che le colonizzano. Tuttavia, la domanda più importante sulle sorgenti fredde è quanto metano viene trasferito all’oceano e di conseguenza nella nostra atmosfera, dove contribuirà al riscaldamento globale. Per me, è estremamente eccitante partecipare a questa ricerca.

Glossario

Chemiosimbiosi: un’associazione simbiotica tra un organismo pluricellulare (l’ospite), che fornisce un ambiente protetto, e un batterio che ossida specifici composti chimici per ottenere energia e sintetizzare carbonio organico di cui l’ospite ha bisogno

Metanotrofico: un organismo metanotrofico metabolizza il metano come unica fonte di energia e carbonio

Acqua dei pori: l’acqua che riempie lo spazio tra i singoli granuli che compongono il sedimento

Tiotrofico: un organismo tiotrofico ossida i composti dello zolfo

Trofosoma: un organo interno specializzato dei vermi tubiformi, che ospita batteri

Ringraziamenti

L’autore desidera ringraziare il Dr Pape (MARUMw1) per i preziosi commenti, in particolare sui gas idrati. Inoltre, Science in School e l’autore ringraziano l’editore Inter-Research per avere acconsentito al riutilizzo dell’immagine da Sahling et al. (2002).

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References

  • Boetius A (2005) Microfauna-macrofauna interaction in the seafloor: lessons from the tubeworm. PLoS Biology 3(3): e102. doi: 10.1371/journal.pbio.0030102
  • Little C (2010) Roba che scotta in fondo all’oceano. Science in School 16: 14-18. www.scienceinschool.org/2010/issue16/hotstuff/italian
  • Sahling H et al. (2002) Macrofaunal community structure and sulfide flux at gas hydrate deposits from the Cascadia convergent margin, NE Pacific. Marine Ecology Progress Series 231: 121-138. doi: 10.3354/meps231121
    • L’articolo può essere scaricato liberamente dal sito di Inter-Research: www.int-res.com

Web References

  • w1 – Per imparare di più riguardo a MARUM – il Centro per le Scienze dell’Ambiente Marino, una struttura di ricerca indipendente finanziata dal DFG presso l’Università di Brema, in Germania, vedi: www.marum.de

Resources

  • MARUM offre un’ampia scelta di materiali e attività in lingua tedesca per insegnanti e studenti, compresi video e articoli su argomenti di ricerca, un’ampia selezione di laboratori per studenti sia della scuola primaria che secondaria presso il laboratorio didattico MARUM, laboratori per insegnanti della scuola primaria, laboratori dimostrativi di scienze sperimentali per bambini della scuola primaria e molto altro. Vedi: www.marum.de/en/entdecken.html
    • MARUM ha prodotto un fantastico video (in lingua inglese) sulle sorgenti fredde e gli idrati di metano. Vedi www.marum.de/marumTV.html
    • Inoltre MARUM ha prodotto, in cooperazione con il Deutsche Forschungsgemeinschaft, una serie in 12 episodi sulle sue ricerche (DFG Science TV). Il sesto episodio (solo in Tedesco) racconta la storia della vongole trovate nelle sorgenti fredde. Vedi http://www.marum.de/marumTV.html
  • L’Agenzia Nazionale Americana per gli Oceani e l’Atmosfera (NOAA) offre diverse lezioni e attività didattiche scaricabili sulle sorgenti fredde per tutte le età, oltre ad informazioni di supporto. Vedi il sito NOAA (http://oceanexplorer.noaa.gov) o utilizza I collegamenti diretti:
  • Per alcune informazioni generali sui gas idrati, vedi il sito MARUM (www.marum.de) o usa il collegamento direto: http://tinyurl.com/3xzzpjj
  • For more information on hydrocarbons, including gas hydrates, see: van Dijk M (2009) Idrocarburi: fossili, ma non (ancora) estinti. Science in School 12: 62-69. www.scienceinschool.org/2009/issue12/energy/italian

Author(s)

Nato a Jülich, in Germania, David Fischer è sempre stato affascinato dalla scienza e il mare. Dopo il diploma in geografia fisica, geologia marina e biologia conseguito presso l’Università di Brema, sta ora lavorando per un dottorato in geologia marina al MARUM, studiando la biogeochimica delle sorgenti fredde. Ha partecipato a varie spedizioni di ricerca nel Mare del Nord, il Mar Baltico, il Mare Arabico, l’Atlantico centro-orientale e l’Oceano Meridionale vicino alla Penisola Antartica.


Review

Se siete curiosi riguardo alla vita sulla Terra in ambienti estremi, questo è l’articolo che fa per voi. David Fischer racconta di comunità biologiche esotiche che vivono sul fondo del mare e dell’esplorazione di questi ambienti.

Il linguaggio è abbastanza facile da capire, con un glossario dei termini tecnici. L’articolo può essere utilizzato per soggetti diversi (biologia, scienze della terra, chimica) per affrontare un ampio spettro di argomenti, come: ecosistemi, energia del metabolismo, catene alimentari, risorse naturali, rocce sedimentarie, ambienti marini e biodiversità, inquinamento dell’aria ed effetto serra, ricerche oceanografiche, idrocarburi, clatrati o reazioni ossido riduttive. Alcuni di questi argomenti (ad esempio ecosistemi, fonti di energia) sono particolarmente adatti per un approccio multidisciplinare.

Il testo costituisce anche un’utile lettura di approfondimento per introdurre l’origine della vita sul fondo marino, per esempio attraverso il confronto con i condotti idrotermali.

Inoltre l’articolo fornisce riferimenti a siti web ricchi di contenuti (MARUM, NOAA), dove il lettore può trovare ulteriori informazioni e materiale (compreso materiale didattico) sull’argomento. Perciò suggerisco di completare l’unità didattica con un’attività da una delle fonti web citate.

L’articolo può anche essere utilizzato come un esercizio di comprensione. Possibili domande di verifica comprendono:

Nella AOM

  1. il solfato è ossidato a solfuro
  2. il solfuro è ridotto a solfato
  3. il metano è ridotto a bicarbonato
  4. il metano è ossidato a bicarbonato.

Gas idrati

  1. sono formati da molecole d’acqua circondate da molecole di gas
  2. sono formati da molecole di gas circondate da molecole d’acqua
  3. si formano in condizioni di alta temperatura e bassa pressione
  4. si formano in condizioni di alta temperatura e alta pressione.

Giulia Realdon, Italia




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CC-BY-NC-ND