Artide: ammagliato di luce, e buio, d’alghe, e di batteri

Un concetto conchiuso nel limine di un’isoterma: quella dei 10°C estivi. L’Artide. Sintesi di assoluti. Canone di settentrione, nel territorio dell’Orsa: sua ferina eponima. Oggi è un sistema sperimentale sotto studio. Cui si chiede di aprirsi alla nostra epistemologica intemperanza, che sonda cavilli e trame trofiche tra batteri, alghe e le viventi briciole vagabonde (πλαγκτόν) in libere acque. Sotto l’egida di quel «gran pianeto» che «co li bei raggi infonde/ vita e vertù qua giuso» (Dante, Rime LXXXIII, 96-101).

Luce ferace, che tutto può, in Artide

Il sole, che nasce in Ariete e percorre l’eclittica, «del valor del ciel lo mondo imprenta/ e col suo lume il tempo ne misura», poetava Dante, nel Paradiso (Pd X, 29-30, figura 1). Ogni specie vivente riceve infatti dal sole misura e qualità della propria durata, e del proprio destino. E, pur prosaici, gli analitici riscontri, della carica di palingenesi dell’astro supremo, sui cicli biologici e microbiologici, oggetto unitario di quest’ultimo studio artico, non sono di certo mancati. D’altra parte, latitudini così estreme, da opporre a sei mesi di luce estiva, sei mesi di buio invernale, non possono non cedere, alla cadenza delle stagioni, il controllo dell’eterno moto di accessi e recessi, degli organismi, che a tale legge è prono.

La luce del sole che dante cantava nel Paradiso, alleva batteri ed alghe. In Artide.
Figura 1 – Dante e Beatrice verso il cielo del sole. Miniatura. Fonte [foliamagazine].

Ma se la disponibilità di luce rappresenta la forza motrice estrinseca dei mutamenti di popolazione, nelle nicchie microbiche, quale infinitesima temperatio mundi, le interazioni intrinseche tra forme biologiche diverse, definiranno, nel breve e nel concreto, equilibri e dinamiche registrabili. E registrati.

I batteri dell’oceano artico concatenano azioni a reazioni

I microrganismi marini, infatti, giocano un ruolo cruciale nei cicli trofici globali. Individuare e giustificare, dunque, i fattori che ne controllano la distribuzione e l’attività è fondamentale per penetrare la logica degli ecosistemi, su cui, quotidianamente, incidiamo. Da decenni, ormai, l’approfondimento d’indagine sulla centralità della materia organica disciolta (DOC), proveniente dai più vari e noti processi cellulari, di lisi, dispersione, escrezione, essudazione, conferma la responsabilità di tale materia sulla eutrofizzazione del milieu di crescita dei batteri, e grazers fagotrofi, i consumatori di organismi autotrofi. Obiettivi recenti della ricerca sono, infatti, i fattori in grado di influenzare le maglie della rete trofica, mediante pastura di organismi autotrofi e produzione di carbonio. In Artite, di certo, l’esito della crescita fototrofica e dell’utilizzazione eterotrofica della biomassa generata determina poi il destino del carbonio, all’interno della rete relazionale microbica.

Già studi precedenti, in effetti, hanno rivelato essere perturbatori d’equilibri trofici microbici, tanto la disponibilità di nutrienti minerali, quanto la DOC, e le condizioni idrografiche. Ma in particolare, il gruppo di ricerca che nel 2007 fu guidato da Thingstad, in modello semplificato, conseguì un quadro di competizione tra batteri (flagellati autotrofi) e diatomee (alghe unicellulari non flagellate) per i nutrienti minerali azoto e fosforo. Entrambi modulati anche dalla generosità di DOC e silicio rispettivamente.

Tuttavia, i predatori, flagellati eterotrofi (batteri), microzooplancton (ciliati), e mesozooplancton (fagotrofi), hanno ciascuno un singolo, critico, punto di controllo verticale top-down sulle forme di vita più minute (alghe), nella colonna d’acqua e nella rete trofica.

Piccoli, ma non deboli, anelli: le alghe, creature solari

L’ultimo studio, infatti, condotto da Oliver Müller, conta proprio di portare alla luce le latenti cause di una evidente crescita differenziale, in base alla stagione dell’anno, con tutti i suoi peculiari estremi fototermici, dei microrganismi alla base della catena trofica oceanica dell’Artide. Vi è da considerare, però, una variabile addizionale. I cambiamenti di popolazione e della periodica crescita sono legati a doppio filo all’eveniente immissione di acqua tiepida e salina, proveniente dalla corrente del West Spitsbergen. Essa, purtroppo, non fa che agevolare lo scioglimento del margine gelato, tanto da inficiare la stabilità della colonna d’acqua, nonchè la profondità di mescolamento verticale. Ed a sua volta, tutto questo rivolgimento cambia le quote di nutrienti, ed altera banalmente il grado di competizione tra gli agenti di rete.

L’ipotesi motrice, nello studio, dunque, è che la crescita di batteri acceleri nel periodo più produttivo dell’anno, quanto a concentrazione d’alghe, e fitoplancton, tanto da strutturare univocamente le relazioni comunitarie, dell’intera rete trofica. Nonostante, di sua competenza, siano solo le maglie più piccole, di base.

Setaccio dimensionale: analitico «divide et impera». Lo studio

Gli esperimenti hanno avuto luogo presso le isole Svalbard, in Norvegia, grazie a 5 gruppi di ricerca, necessari a coprire i periodi dell’anno più suggestivi di variazioni nelle relazioni microbiche, tra alghe e batteri. Gennaio, marzo, maggio, agosto e novembre. Misurazioni separate hanno impegnato, infatti, i gruppi di lavoro, seguendo anche la corrente SWC, a diverse latitudini. I campioni d’acqua per i successivi esperimenti, prelevati a 20 m di profondità, coincidente con il massimo di profondità di clorofilla (DCM), esprimono il profilo di maggio ed agosto.

Nel periodo di post fioritura primaverile, quando la rigenerazione produttiva ha il suo massimo, i ricercatori si aspettavano di incorrere in una più elevata pressione pasturale, prefigurandosi anche il controllo top-down in colonna d’acqua: fattore di complesse, ed ecologicamente dirimenti, strutture comunitarie microbiche. Hanno, così, approntato una strategia analitica precisa. Si parla di esperimenti ad esclusione dimensionale, e si intende un frazionamento sperimentale delle comunità microbiologiche oceaniche dell’Artide. Sulla scorta di pregiati precedenti lavori, i ricercatori hanno delicatamente filtrato i campioni d’acqua superficiale (a 20 m di profondità, si ricorda) mediante impiego di filtri a differente setaccio di maglia (0.8 – 10 e 90 µm). Così da trattenere e selezionare (o escludere, a seconda dei punti di osservazione sulla prassi) organismi di diverse dimensioni con cui comporre tre popolazioni di riferimento.

Frazioni di comunità, in cui guardare l’Intero

Il gruppo dalle dimensioni più ridotte (<0.8 µm) abbraccia la frazione di batteri (procarioti, ed archea), ed esclude grazers e produttori di materia organica di dimensioni superiori al cut off. La frazione subito superiore, pari a 10 µm, ha incluso invece batteri e piccoli autotrofi (cianobatteri, picofitoplancton e nanofitoplancton), come pure piccoli grazers eterotrofi (nanoflagellati eterotrofi, HNF). Infine, la popolazione con organismi dimensionalmente più grandi (<90 µm) accoglie in sé fitoplancton, ciliati ed altro microzooplancton, in aggiunta a tutte le sue forme più minute.

In tal modo, il metodo d’indagine libera i batteri dalla pressione erosiva dei grazers; espone ad essa, invece, gli HNF, ma ne contiene la temperie sul microzooplancton. Non trascurabile è, agli effetti d’analisi, l’ingerenza sulla crescita e la funzionalità microbica, della disponibilità di componenti trofiche minerali, e di carbonio organico; nonchè di ineludibili infezioni virali. In seguito alla filtrazione, l’acqua di ogni frazione viene trasferita in bottiglie di policarbonato trasparente (da 3.9 L) mediante tubi in silicone, e secondo riempimento sfalsato. Quindi, l’incubazione in condizioni di luce e temperatura in linea con il sistema in situ.

Batteri, alghe e virus d’Artide: prime evidenze, frazionate

L’iniziale abbondanza dei microrganismi varia per tutte le popolazioni composte, con concentrazioni massimamente ridotte nel periodo invernale (gennaio-marzo); più nutrite in estate (maggio-agosto). A conti in corso, la separazione dimensionale pare abbia dato dei buoni frutti: la quota di batteri e virus è restata costante, in ogni frazione dimensionale, così come organismi più grandi sono restati effettivamente esclusi dalle reti trofiche delle popolazioni a calibro inferiore.

In dettaglio:

  • virus, con picco ad agosto, di 3 × 107 virus mL−1,
  • batteri, oscillanti tra 1 × 105 cellule mL−1 in gennaio, e 1 × 106 cellule mL−1 in agosto.

La rete trofica batterica ha, effettivamente, accelerato la propria crescita a maggio, nelle frazioni più grandi, mantre queste, in agosto, hanno fatto registrare valori negativi. Positivi, in agosto, nella frazione dalle dimensioni più piccole. Ancora, l’iniziale abbondanza di HNF si è abbassata a maggio, fino a valori di 100 cellule mL−1, mentre la crescita della rete ha beneficato le frazioni biologiche dimensionalmente più grandi, con oltre 2 × 103 cellule mL−1, nell’arco di soli sei giorni. Concentrazione che ha toccato picchi più alti ad agosto (2–4 × 103 cellule mL−1); ma questo non troppo chiaramente durante l’incubazione.

Primi bilanci sulla vis biogena della luce, del «dolce lume»

Maggio ed agosto hanno parificato abbondanza e crescita della rete trofica per organismi autotrofi, Synechococcus (figura 2), picofitoplancton e nanofitoplancton, (~100 cellule mL−1), con picco generale ad agosto, 1.0 × 104 cellule mL−1; poi costante declinatio, nei 6 giorni di incubazione. All’opposto, i picoeucarioti: dopo sei giorni di incubazione, con picco massimo, in frange dimensionali di <10 µm e <90 µm, a maggio, quando la loro abbondanza relativa è transitata da 5.0 × 103 cellule mL−1, a 1.0 × 104, e 1.7 × 104 cellule mL−1, rispettivamente.

La luce che nutre alghe e batteri, accresce anche Synechococcus, in Artide.
Figura 2 – Synechococcus. Fonte [researchgate].

Il picofitoplancton, in agosto, ha fatto registrare elevati valori, di 1.0 × 104 cellule mL−1, con anche un lieve tasso di crescita positivo della rete trofica, nel corso dei primi quattro giorni d’incubazione, di 1.2 × 104 cellule mL−1, cui ha fatto seguito decremento fino a 7.5 × 103 cells mL−1, a fine esperimento. Infine, il nanofitoplancton ha espresso in maggio picchi di crescita di rete, ed abbondanza cellulare da 1.0 × 103 a 1.0 × 104 cellule mL−1, nell’arco della prova. Finchè, in agosto, si è appaiato al picofitoplancton, a discretamente alte concentrazioni iniziali, e declino dopo sei giorni d’incubazione (da 4.0 × 103 a 3.0 × 103 cellule mL−1).

Materia organica batterica, genetica e potenziale metabolico

Anche la produzione di materia organica da parte dei batteri (BP), e la loro stessa abbondanza, indicatori schietti d’attività batterica, sono cresciuti nel tempo, in incubazione; valori in assoluto più elevati, a maggio ed agosto, al netto di ogni segregazione dimensionale. La produzione di comunità batterica più alta, tra maggio ed agosto; quella batterica per singola cellula, più elevata tra gennaio e marzo.

L’indagine si è poi, come di prammatica, addentrata nella genetica, nel sequenziamento a mezzo PCR, su rRNA 16S. Così i ricercatori hanno ottenuto di osservare diversità più contenuta tra marzo e maggio, rispetto ad agosto e novembre. A livello di generi microbici, differenze stagionali e dimensionali, a marzo, hanno riguardato Colwellia, Balneatrix e Oleispira, divenendo abbondanti in tutte le frazioni dimensionali, mentre cospicui si sono fatti, nelle sole frazioni più grandi, i generi Moritella, Psychromonas e Marinomonas. Thaumarchaeota, ben alto in concentrazione, all’inizio, termina quasi completamente assente, alle battute finali; e stesso trend assumono a maggio due Gammaproteobacteria: Colwellia e SAR92_clade. Anche Flavobacteria, in maggio, sono cresciuti nelle due frazioni più grandi.

Risposte del sistema metabolico, sotteso alla rete batterica dell’Artide

Per valutare, infine, mutamenti nel potenziale metabolico, dell’architettura di trame trofiche dell’oceano artico, sulla base dei dati genetici, i ricercatori si sono avvalsi di una sinossi compositiva tra inizio e fine dello stage sperimentale; in grado di predire, e quantificare, il percorso metabolico in termini di abbondanza di KO (KEGG Orthology). A marzo e maggio, sommariamente tutte le fasce dimensionali hanno espresso un incremento nei geni, ad esse correlati, in fine di esperimento. Esatto reciproco, tra agosto e novembre, quando i processi metabolici più abbondanti, in termini di KO, decrescevano al termine della procedura d’analisi.

Dunque, per tirare le somme, si osservi che la via metabolica ad incremento più consistente sia stata il sistema a due componenti (costituito da un sensore in ingresso, un regolatore della risposta in uscita, ed un apparato di fosforilazione che connette entrambi i sistemi). Poi, biosintesi dei metaboliti secondari e trasportatori di ABC (ATP-Binding Cassette, sono trasportatori transmembrana che garantiscono il trasporto di varie classi di sostanze). Formazione di biofilm e rilevamento del quorum, nell’esperimento di maggio. Decremento più marcato, in agosto, per formazione di biofilm, sistema a due componenti, e biosintesi di metaboliti secondari.

Alghe e batteri che anelano luce: ultima ricognizione

Il periodo tardo invernale, privo di luce solare, con bassa attività biologica, carente biomassa, comunità biologica retta dai dinoflagellati, rappresenta lo scenario di gennaio. In marzo, la comunità microbica è ancora serrata nei bassi giri energetici invernali, pure, i valori analitici tradiscono un risveglio lento dei cicli metabolici, un’accelerazione lenta ma progressiva, al rimontare dell’esposizione luminosa. Nel corso delle rilevazioni, infatti, la biomassa si arricchisce di fitoplancton. Il progresso della BP, soprattutto nelle due classi di taglia superiore, può essere merito dell’aumento di specifici Gammaproteobacteria, non presenti in frazioni <0.8-µm. Sono Moritella, Psychromonas e Marinomonas.

E questa esclusività di dato incrementale, verso il risveglio, suggerisce associazione con la crescita di specifiche diatomee, che per forza di calibro, sono ammesse solo nelle frazioni di dimensioni maggiori. Associazione e mutuo sostegno in crescita ricordano le relazioni tra Moritella e Marinomonas, e specie di diatomee che fioriscono ad inizio primavera. Ma anche altri Gammaproteobacteria, SAR92 e SAR86, si ritrovano associati alle felici condizioni di fioritura primo primaverili. Relazioni benefiche e relazioni dirette, che faranno da road map predittiva.

Nelle primissime fasi di fioritura del fitoplancton, gli stessi metaboliti glucidici, aminoacidici, espressi, si comporteranno da fattori chemiotattici: chemioattrattanti, per le specie di batteri benefici che, nel tempo, forniscono loro elementi trofici critici ed essenziali; il ferro, per esempio. Tali biochimiche amicizie gettano un ponte verso la felice proliferazione biologica del successivo periodo stagionale.

Il sole di mezzanotte: tra prodigio e biodinamiche

Ed ecco maggio, col suo sole di mezzanotte (figura 3), luce eterna, per quei sei mesi, da Altro Mondo. La biomassa è dominata dal fitoplancton, adesso, diatomee. Immancabili differenze tra le frazioni dimensionali: nelle maggiori, abbondano Flavobacteria (Polaribacter e gruppo marino NS9) ed Alfaproteobacteria, il genere Sulfitobacter, soprattutto. Associato, questo, a diatomee, Chaetoceros. E l’incremeto di batteri (Sulfitobacter) ed alghe (Chaetoceros) sottende benefici. Con tanta pastura, cresce HNF, nella frazione <90-µm, e non a discapito di altri organismi, ugualmente rilevati. La crescita delle prede (batteri e picofitoplancton) supera, infatti, la perdita da pastura.

Sole di mezzanotte, in artide: dove la luce crea batteri ed alghe.
Figura 3 – Il sole di mezzanotte. Fonte [viaggisottozero].

Agosto. Biomassa inizialmente elevata, come in maggio, ma già la decrescita erode i picchi analitici: la comunità di protisti cambia, le diatomee cedono, lente, il passo a comunità più complesse; Phaeocystis, criptofite, nanoflagellati (autotrofi ed eterotrofi), e poche, pochissime specie di diatomee. Si tratta di pastura eterotrofica, in questo periodo, nelle due frazioni a dimensioni maggiori. Synechococcus, ed abbondanza di batteri, segnano marcatamente il passo.

I ricercatori infatti trasmettono solo dati di correlazione d’abbondanza tra batteri HNF ed HNA (R2 = 0.4580, p = 0.0453). E solo in frazioni <10-µm, dove la pressione della pastura è evidentemente inferiore, forse per merito del microzooplancton. E comunque, nessuna relazione tra HNF e l’abbondanza di batteri totali. Sono i batteri attivi, adesso, i responsabili dei rapporti tra HNF ed HNA. A loro volta legati a Flavobacteria, Polaribacter. Questa sorta di pastura selettiva, dunque, nel post fioritura può configurarsi come motivo di scatto nella diversità.

Ultimo viene… il buio

Ed, infine, novembre. La luce declina. E con essa la biomassa. Corruptio inevitabile. La composizione della comunità di protisti è ridotta a pochi organismi autotrofi, dinoflagellati; Phaeocystis predominante. Nulla, neppure i substrati o le associazioni tra organismi, influenza più la composizione della comunità. Poco differenzia le frazioni dimensionali. All’inizio della caduta, sembrano dispiegarsi le condizioni sperimentali di marzo, con Thaumarchaeota. Solo che in novembre, Thaumarchaeota resta stabile, o addirittura cresce nel tempo. Si tratta di chemioautotrofi, archea responsabili, nel ciclo dell’azoto, dell’ossidazione dell’ammoniaca a nitriti, poi ossidati oltre, a nitrati da Nitrospinae. Ma gli archea che rimontano, soprattutto, sono un simbolo ecosistemico, di ritorno al buio. In Artide.

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