I ricercatori riportano in vita alghe preistoriche
Dopo 7000 anni senza luce e senza aria nel fango del Mar Baltico
Un team di ricerca guidato dall'Istituto Leibniz per la Ricerca sul Mar Baltico di Warnemünde (IOW) è riuscito a rianimare gli stadi dormienti di un'alga sprofondata sul fondo del Mar Baltico quasi 7.000 anni fa. Nonostante migliaia di anni di inattività nei sedimenti senza luce e ossigeno, la specie di diatomea studiata ha riacquistato la sua piena vitalità. Lo studio, pubblicato di recente sulla rivista ISME, è stato condotto nell'ambito del progetto congiunto PHYTOARK, finanziato dall'Associazione Leibniz e finalizzato a comprendere meglio il futuro del Mar Baltico attraverso indagini paleoecologiche sul suo passato.
Molti organismi, dai batteri ai mammiferi, possono entrare in una sorta di "modalità sonno", nota come dormienza, per sopravvivere a periodi di condizioni ambientali sfavorevoli. Passano a uno stato di ridotta attività metabolica e spesso formano speciali stadi permanenti con gusci protettivi stabili e riserve energetiche immagazzinate. Questo vale anche per il fitoplancton, piante microscopiche che vivono nell'acqua e fanno la fotosintesi. I loro stadi permanenti affondano sul fondo dei corpi idrici, dove col tempo vengono ricoperti dai sedimenti e conservati in assenza di aria.
"Questi depositi sono come una capsula del tempo che contiene informazioni preziose sugli ecosistemi del passato con le loro biocenosi, lo sviluppo della popolazione e i cambiamenti genetici", spiega Sarah Bolius. L'esperta di fitoplancton dell'IOW è la prima autrice dello studio recentemente pubblicato sull'ISME Journal, in cui le carote di sedimento del Mar Baltico sono state analizzate specificamente per individuare gli stadi di vita germinativi del fitoplancton del passato. "Questa procedura porta il nome insolito di 'ecologia della resurrezione': gli stadi dormienti che possono essere chiaramente assegnati a periodi specifici della storia del Mar Baltico grazie alla chiara stratificazione dei sedimenti del Mar Baltico devono essere riportati in vita in condizioni favorevoli, caratterizzati geneticamente e fisiologicamente e confrontati con le popolazioni di fitoplancton odierne", continua Bolius. Analizzando altri componenti dei sedimenti, sarà possibile trarre conclusioni sulle condizioni passate di salinità, ossigeno e temperatura. "Il nostro obiettivo è comprendere meglio l'adattamento genetico e funzionale del fitoplancton del Mar Baltico ai cambiamenti ambientali combinando tutte queste informazioni", afferma il ricercatore marino, spiegando l'approccio scientifico dello studio.
Vecchi geni, funzioni stabili
Il team guidato da Sarah Bolius, che comprendeva esperti dell'IOW e ricercatori delle Università di Rostock e Costanza, ha esaminato carote di sedimento prelevate da 240 metri d'acqua nella profondità del Gotland orientale durante una spedizione sulla nave da ricerca Elisabeth Mann Borgese nel 2021. Dopo aver trattato nove campioni in laboratorio in condizioni favorevoli di nutrienti e luce, le alghe vitali sono state risvegliate dalla dormienza e sono stati isolati i singoli ceppi. Questi campioni provengono da diversi strati sedimentari, che rappresentano un arco temporale di circa 7000 anni e quindi le fasi climatiche più importanti del Mar Baltico.
La diatomea Skeletonema marinoi è stata l'unica specie di fitoplancton recuperata da tutti i campioni. È diffusa nel Mar Baltico e si presenta tipicamente durante la fioritura primaverile. Il campione più antico con cellule vitali di questa specie è stato datato a un'età di 6871 ± 140 anni. È sorprendente che le alghe resuscitate non solo siano sopravvissute "bene", ma apparentemente non abbiano perso la loro "fitness", cioè la loro capacità biologica: Crescono, si dividono e fotosintetizzano come i loro discendenti moderni", sottolinea Sarah Bolius. Questo vale anche per le cellule provenienti dallo strato sedimentario di circa 7000 anni fa, che si sono dimostrate stabili durante la coltivazione con un tasso di crescita medio di circa 0,31 divisioni cellulari al giorno - un valore paragonabile ai tassi di crescita dei ceppi di Skeletonema marinoi odierni, dice Bolius. La misurazione delle prestazioni fotosintetiche ha inoltre mostrato che anche gli isolati più vecchi delle alghe possono ancora produrre attivamente ossigeno, con valori medi di 184 micromoli di ossigeno per milligrammo di clorofilla all'ora. "Si tratta di valori molto simili a quelli degli attuali rappresentanti di questa specie", spiega l'esperto di alghe.
I ricercatori hanno anche determinato i profili genetici delle alghe rivitalizzate utilizzando l'analisi dei microsatelliti, un metodo in cui vengono confrontate alcune brevi sezioni di DNA. Il risultato: i campioni provenienti da strati di sedimenti di età diverse formavano gruppi geneticamente distinti. Da un lato, ciò esclude la possibilità di una contaminazione durante la coltivazione dei ceppi provenienti da strati sedimentari di età diverse. Dall'altro, questo dimostra che le popolazioni successive di Skeletonema marinoi nel Mar Baltico sono cambiate geneticamente nel corso dei millenni.
La dormienza come strategia di sopravvivenza - e come base per un interessante strumento di ricerca
Il fenomeno per cui gli organismi sopravvivono come stadi permanenti per periodi di tempo molto lunghi e possono quindi potenzialmente ricolonizzare gli habitat in condizioni adeguate è noto anche da altri studi, ad esempio nei semi delle piante o nei piccoli crostacei, alcuni dei quali rimangono vitali per diversi secoli, persino millenni. Tuttavia, il successo della rivitalizzazione di uno stadio permanente dopo un periodo così lungo, come nel caso di Skeletonema marinoi, non è stato quasi mai documentato finora. Con un'età di circa 7000 anni, le minuscole cellule di questa diatomea sono tra gli organismi più antichi ad essere stati rianimati con successo da uno stadio permanente intatto. Non si conoscono casi più antichi di questo tipo nei sedimenti acquatici.
"Il fatto che siamo riusciti a riattivare con successo stadi dauer algali così vecchi dalla dormienza è un primo passo importante per l'ulteriore sviluppo dello strumento della 'Resurrection Ecology' nel Mar Baltico. Ciò significa che ora è possibile condurre in laboratorio esperimenti di 'salto temporale' in varie fasi di sviluppo del Mar Baltico", afferma Sarah Bolius. I ceppi di alghe rivitalizzati saranno quindi ulteriormente testati in condizioni diverse in futuro. "Il nostro studio dimostra anche che possiamo tracciare direttamente i cambiamenti genetici nel corso di molti millenni - e con cellule vive invece che con fossili o tracce di DNA", riassume la scienziata. Ulteriori analisi genetiche dei ceppi di alghe riattivate dovrebbero aiutare a comprendere meglio le cause di questi cambiamenti genetici.
Capire il futuro viaggiando indietro nel tempo
Lo studio attuale è stato condotto nell'ambito del progetto congiunto PHYTOARK, finanziato dall'Associazione Leibniz nell'ambito della linea di finanziamento "Cooperative Excellence" e coordinato all'IOW da Anke Kremp, responsabile del gruppo di lavoro Phytoplankton Ecology. Sono coinvolti altri nove istituti di ricerca provenienti da Germania, Finlandia, Svezia e Stati Uniti. L'obiettivo è quello di utilizzare i più recenti metodi di paleoecologia e di ricerca sulla biodiversità per guardare indietro fino a 8.000 anni e ricostruire i cambiamenti nel fitoplancton del Mar Baltico causati dalle fluttuazioni climatiche naturali. Questo sguardo al passato dovrebbe aiutare a valutare meglio gli impatti futuri dei cambiamenti climatici nel Mar Baltico.
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