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?

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?

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 + SO₄^2- → HCO_3- + 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).

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)..

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.

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.

Come studiamo le sorgenti fredde?

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. MARUM^w1 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.

Ringraziamenti

L’autore desidera ringraziare il Dr Pape (MARUM^w1) 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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