Scoperti batteri che usano idrogeno delle sorgenti idrotermali sottomarine

Mitili negli abissi dell'Oceano Atlantico vivono grazie alla simbiosi con batteri che "mangiano" idrogeno. Crediti: Marum

Le celle di combustibile a idrogeno sono considerate una delle alternative più promettenti per l’energia pulita. Mentre gli sforzi nella ricerca hanno contribuito a sviluppare nuovi modi per sfruttare l’energia a idrogeno per alimentare la nostra vita quotidiana, la natura come al solito ha fatto prima e meglio. Un nuovo caso di energia dall’idrogeno (o della sua trasformazione) viene oggi dalle profondità del mare ed era finora sconosciuto. Alcune cozze riescono infatti a usare – grazie a dei batteri simbionti – l’idrogeno che si libera dall’acqua calda che fuoriesce da sorgenti idrotermali negli abissi dell’Oceano Atlantico.

Durante una recente spedizione ad alcune bocche idrotermali nel mare profondo, i ricercatori del Max Planck Institute di microbiologia marina e il cluster di eccellenza MARUM hanno scoperto delle cozze che hanno un proprio set di “celle a combustibile” sotto forma di batteri simbionti, che utilizzano l’idrogeno come fonte di energia. I loro risultati, che appariranno sulla rivista Nature, suggeriscono che la capacità di usare l’idrogeno come fonte di energia è molto diffusa nella simbiosi con sorgenti idrotermali.

Le sorgenti idrotermali in alto mare si formano nei centri di diffusione medio-oceanici in cui le placche tettoniche si allontanano e nuova crosta oceanica viene creata dal magma in risalita dalle profondità della Terra. Quando l’acqua di mare interagisce con la roccia calda e col magma, si surriscalda dissolvendo i minerali presenti e penetrando sotto la superficie. Nei camini idrotermali, questa acqua di mare surriscaldata, carica di energia, sgorga di nuovo nell’oceano a temperature fino a 400 gradi Celsius ed entra in contatto con l’acqua fredda di alto mare. Questi fluidi caldi forniscono composti inorganici come acido solfidrico, ammoniaca, metano, idrogeno e ferro agli oceani. Gli organismi viventi presenti nelle bocche idrotermali ossidano questi composti inorganici per ottenere l’energia necessaria per creare materiale organico proveniente da anidride carbonica. A differenza di ciò che avviene sulla terra, dove la luce solare fornisce l’energia per la fotosintesi, nelle oscure profondità del mare i prodotti chimici inorganici forniscono energia per la vita in un processo chiamato chemiosintesi.

Quando le bocche idrotermali sono state scoperte più di 30 anni fa, i ricercatori sono rimasti stupiti di scoprire che erano abitate da comunità lussureggianti di animali come vermi, molluschi e crostacei, la maggior parte delle quali erano completamente sconosciute alla scienza. Il primo a studiare questi animali ha capito subito che la chiave per la loro sopravvivenza era la loro associazione simbiotica con microbi chemiosintetici. Fino ad ora, erano note solo due fonti di energia per la chemiosintesi da parte dei batteri simbionti delle bocche idrotermali: il solfuro di idrogeno, usato da batteri zolfo-ossidanti, e metano, usato da simbionti metano-ossidanti. “Abbiamo scoperto una terza fonte di energia”, dice Nicole Dubilier del dipartimento del Max Planck di microbiologia marina di Brema, che ha guidato il team responsabile di questa scoperta.

La scoperta ha cominciato nei camini idrotermali di Logatchev, a 3000 metri di profondità sulla dorsale medio-atlantica, una catena montuosa sottomarina a metà strada tra i Caraibi e le isole di Capo Verde. Le concentrazioni di idrogeno più alte mai misurate nelle bocche idrotermali sono state registrate nel corso di una serie di spedizioni di ricerca presso Logatchev. Secondo Jillian Petersen, un ricercatore che lavora con Nicole Dubilier, “i nostri calcoli mostrano che in queste bocche idrotermali l’ossidazione dell’idrogeno potrebbe fornire energia sette volte maggiore dell’ossidazione del metano, ed un’energia fino a 18 volte maggiore dell’ossidazione del solfuro”.

Nelle branchie delle cozze Bathymodiolus puteoserpentis, uno degli animali più abbondanti nella zona di Logatchev, i ricercatori hanno scoperto un batterio simbionte zolfo-ossidante che può utilizzare l’idrogeno come fonte di energia. Per rintracciare queste ‘celle a combustibile’ a idrogeno in alto mare, i ricercatori hanno inviato due sommergibili, MARUM-QUEST da MARUM presso l’Università di Brema, e 6000 KIEL da IFM-GEOMAR da Kiel. Con l’aiuto di questi sommergibili guidati a distanza, gli scienziati sono riusciti a prelevare campioni di cozze per chilometri sotto la superficie del mare. Sulla loro nave che stazionava in superficie sull’oceano hanno poi analizzato i campioni, scoprendo che le cozze consumavano idrogeno. Una volta che i campioni sono arrivati nel laboratorio a terra, i ricercatori sono stati anche in grado di identificare l’enzima chiave per l’ossidazione dell’idrogeno utilizzando tecniche molecolari.

I letti di mitili a Logatchev formano una distesa brulicante che copre centinaia di metri quadrati e contiene circa mezzo milione di cozze. “I nostri esperimenti dimostrano che questa popolazione di mitili può consumare fino a 5000 litri di idrogeno per ora”, secondo Frank Zielinski, un ex studente di dottorato in gruppo Nicole Dubilier in Brema, che ora lavora come ricercatore post-dottorato presso il Centro Helmholtz per l’ambiente ricerca di Lipsia. I simbionti delle cozze in acque profonde pertanto svolgono un ruolo importante come produttori primari responsabili della trasformazione dei fluidi inerti in biomassa in questi habitat. “Le sorgenti idrotermali lungo le dorsali medio-oceaniche che emettono grandi quantità di idrogeno possono quindi essere paragonate ad una autostrada a idrogeno, con stazioni di rifornimento per la produzione primaria simbiotica”, afferma Jillian Petersen.

Esistono anche altri simbionti nelle bocche idrotermali, come il tubicolo gigante Riftia pachyptila (un verme tubo gigante) e il gambero Rimicaris exoculata (un gambero semitrasparente che vive negli abissi), che possiedono il gene chiave per l’ossidazione dell’idrogeno. “La possibilità di utilizzare l’idrogeno come fonte di energia sembra essere diffusa negli animali presenti in queste bocche idrotermali, anche in siti con bocche che emettono basse quantità di idrogeno”, ha detto Nicole Dubilier.