Come un batterio fecondatore degli oceani forma le associazioni

Il microbo marino Trichodesmiumha attirato presto l'attenzione della gente. Il capitano britannico James Cook fu uno dei primi a documentare le sue osservazioni nel Mar Rosso nel 1770. Non aveva bisogno di un microscopio: i microrganismi a volte si moltiplicano rapidamente e formano fioriture giallo-marroni o rossastre sulla superficie del mare, che si estendono per migliaia di chilometri quadrati e possono essere viste anche dallo spazio. Si dice che il Mar Rosso debba il suo nome a questo fenomeno.

Quello che Cook non sapeva 250 anni fa: le lussureggianti fioriture non sono causate da alghe, ma da cianobatteri del genere Trichodesmium,che sono noti anche come "segatura di mare". Si trovano in gran numero nei mari tropicali e subtropicali e svolgono un ruolo ecologico elementare, fertilizzando queste acque povere di nutrienti e fornendo così cibo ad altri organismi viventi.

Questo fenomeno è associato a una proprietà speciale che affascina i ricercatori di tutto il mondo: Trichodesmiumvivono come individui filamentosi e multicellulari chiamati filamenti. Tuttavia, essi si presentano anche in associazioni dinamiche in cui centinaia di filamenti interagiscono tra loro.

In uno studio pubblicato sulla rivista pagina esternaScienza un gruppo di ricercatori guidati dal professor Roman Stocker dell'ETH ha ora descritto per la prima volta come Trichodesmium-I ricercatori hanno scoperto che questi filamenti possono formare tali aggregati con un comportamento tanto semplice quanto efficace.

Il multi-talento microbico nutre la vita marina

"La capacità di formare aggregati è probabilmente la chiave del fatto che Trichodesmiumè così comune e di successo", afferma Ulrike Pfreundt, ricercatrice alumni presso Stocker, il cui laboratorio presso l'Istituto di ingegneria ambientale è specializzato nello studio dei microrganismi marini.

Il suo collega Jonasz Slomka, scienziato senior del gruppo di Stocker, aggiunge: "Nonostante la loro importanza ecologica, in precedenza non si sapeva come si formassero questi aggregati". Pfreundt e Slomka hanno contribuito in egual misura allo studio e condividono la prima paternità.

I cianobatteri sono batteri capaci di fotosintesi e sono tra le forme di vita più antiche del pianeta. Costruiscono biomassa e costituiscono l'inizio della rete alimentare marina. Alcune specie di essi, tra cui quelle del genere Trichodesmium,Hanno anche la capacità di rilevare l'azoto elementare disciolto nell'acqua (N₂) in ammonio (NH) biologicamente utilizzabile.₄) - un nutriente essenziale di cui altri organismi hanno bisogno per crescere.

"Da Trichodesmiumazoto, favorisce la vita nei mari tropicali e subtropicali", afferma Slomka, sottolineando l'importanza dei batteri.

Gli aggregati si adattano all'ambiente

Per risolvere l'enigma della Trichodesmium-I ricercatori hanno coltivato il cianobatterio nel loro laboratorio dell'ETH di Zurigo per analizzare i filamenti. A differenza dei singoli filamenti, che sono dieci volte più sottili di un capello umano, gli aggregati raggiungono un diametro di uno o due millimetri e sono visibili a occhio nudo. Tuttavia, le loro forme caratteristiche - che ricordano i "pompon" e le "ciocche di capelli" - si rivelano solo al microscopio.

Pfreundt, che ha lavorato con il collega Jonasz Slomka. TrichodesmiumDurante lo studio è emerso che gli aggregati cambiano aspetto nel corso della giornata, "il che indica un processo attivo", spiega il biologo marino, che ha ottenuto una borsa di studio post-dottorato dell'ETH di Zurigo per indagare sulla questione. Pfreundt e Slomka hanno poi studiato se e come le associazioni reagiscono alle influenze ambientali, come il cambiamento delle condizioni di luce.

La reazione è stata rapida e chiara: Entro pochi minuti dallo stimolo ambientale, gli aggregati hanno iniziato a cambiare forma. Alla luce si contraevano, al buio si rilassavano. Le reazioni erano reversibili: gli aggregati tornavano approssimativamente alla loro struttura precedente dopo uno stimolo luminoso.

Pfreundt sospetta che i microrganismi dell'oceano aperto reagiscano in modo simile alle fluttuazioni della radiazione solare. "La luce solare intensa può danneggiare le cellule, quindi gli aggregati si condensano per ridurre la quantità di luce".

Un semplice comportamento controlla la struttura degli aggregati

Aggregati in prestito TrichodesmiumCapacità che i singoli filamenti non hanno e che sono particolarmente vantaggiose nella ricerca di nutrienti. Gli studi hanno dimostrato che gli aggregati possono catturare polvere ricca di ferro per soddisfare il loro maggiore fabbisogno di ferro per la fissazione dell'azoto. Inoltre, gli aggregati possono affondare e risalire in superficie molto più velocemente dei filamenti per recuperare fosfato e altri nutrienti dalle profondità.

"Partiamo dal presupposto che gli aggregati nell'oceano cambiano costantemente forma per controllare la loro galleggiabilità, l'assorbimento della luce o il microambiente all'interno dell'aggregato", spiega Pfreundt, "e tutte queste trasformazioni sono elegantemente mediate da un semplice comportamento decentralizzato dei filamenti".

Il team ha scoperto che i singoli filamenti possono scivolare l'uno contro l'altro, muovendosi in direzioni opposte, come due treni che si incrociano. Se i filamenti continuano a scorrere, perdono di nuovo la loro sovrapposizione e divergono.

Utilizzando la microscopia video e modelli matematici, i ricercatori hanno dimostrato che i singoli filamenti di un aggregato scivolano costantemente l'uno contro l'altro e cambiano direzione quando la loro sovrapposizione diminuisce - un comportamento attivo che permette loro di rimanere insieme e di muoversi. "Se i filamenti si invertono prima, si sovrappongono di più e l'aggregato si contrae. Se si invertono dopo un certo ritardo, la struttura si allenta", spiega Slomka.

Come spiegano i ricercatori nel loro studio, queste "inversioni intelligenti" sono sufficienti per formare e rimodellare gli aggregati organizzati. I singoli filamenti regolano semplicemente la loro sovrapposizione con i filamenti vicini. In questo modo, i filamenti controllano l'intero aggregato attraverso inversioni intelligenti senza un coordinamento centrale.

"Questo permette TrichodesmiumIl gruppo di ricerca dell'Istituto di ingegneria ambientale sta ora costruendo il proprio gruppo con una delle ambite borse di studio Ambizione del Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica.

Ruolo chiave per i serbatoi marini di carbonio

Ma Trichodesmiumnon è interessante solo per la sua ecologia e il suo comportamento. "Ha anche un'influenza significativa sul ciclo del carbonio nel mare", osserva l'ETH Stocker.

Trichodesmiumfornisce fino al 60% della fissazione dell'azoto marino e quindi promuove l'assorbimento di carbonio dalla CO₂ attraverso la fotosintesi del fitoplancton e delle alghe. Una parte di questa biomassa affonda e viene immagazzinata nei fondali marini, mitigando così il cambiamento climatico.

"Capire come si comportano i microrganismi può essere fondamentale per aiutarci a valutare il futuro ruolo degli oceani in un clima che cambia", afferma l'ingegnere ambientale.