Intorno al mondo, vaste aree dell'oceano aperto sono quasi prive di ossigeno. Non proprio zone morte, sono "zone di minimo di ossigeno, "dove una confluenza di processi naturali ha portato a concentrazioni di ossigeno estremamente basse.

Solo il più resistente degli organismi può sopravvivere in condizioni così gravi, e ora gli oceanografi del MIT hanno scoperto che queste piccole e dure forme di vita, per lo più batteri, hanno un limite sorprendentemente basso alla quantità di ossigeno di cui hanno bisogno per respirare.

In un articolo pubblicato dalla rivista Limnologia e Oceanografia , il team riferisce che i batteri oceanici possono sopravvivere con concentrazioni di ossigeno fino a circa 1 nanomolare per litro. Per mettere questo in prospettiva, sono circa 10, 000 volte inferiore a quello che può tollerare la maggior parte dei pesci piccoli e circa 1, 000 volte inferiore a quello che gli scienziati sospettavano in precedenza per i batteri marini.

I ricercatori hanno scoperto che al di sotto di questo limite critico, i microbi muoiono o diventano meno comuni, forme anaerobiche di respirazione, prendendo azoto invece di ossigeno per respirare.

Con il cambiamento climatico, si prevede che gli oceani subiranno una diffusa perdita di ossigeno, potenzialmente aumentando la diffusione delle zone minime di ossigeno in tutto il mondo. Il team del MIT afferma che conoscere i requisiti minimi di ossigeno per i batteri oceanici può aiutare gli scienziati a prevedere meglio come la futura deossigenazione cambierà l'equilibrio dei nutrienti dell'oceano e gli ecosistemi marini che dipendono da essi.

"C'è una domanda, come la circolazione e l'ossigeno cambiano nell'oceano:queste zone di minimo di ossigeno stanno per diventare secche e diventare più superficiali, e diminuire l'habitat per quei pesci vicino alla superficie?" dice Emily Zakem, l'autore principale del documento e uno studente laureato presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS). "Conoscere questo controllo biologico sul processo è davvero necessario per fare questo tipo di previsioni".

Il coautore di Zakem è il professore associato EAPS Mick Follows.

Quanto scende l'ossigeno?

Zone minime di ossigeno, a volte indicato come "zone d'ombra, " si trovano tipicamente a profondità di 200 a 1, 000 metri. interessante, queste regioni impoverite di ossigeno si trovano spesso appena al di sotto di uno strato di alti flussi di ossigeno e produttività primaria, dove i pesci che nuotano vicino alla superficie sono in contatto con l'atmosfera ricca di ossigeno. Tali aree generano un'enorme quantità di materia organica che affonda negli strati più profondi dell'oceano, dove i batteri usano l'ossigeno, molto meno abbondante che in superficie, per consumare i detriti. Senza una fonte per ricostituire l'apporto di ossigeno a tali profondità, queste zone si esauriscono rapidamente.

Altri gruppi hanno recentemente misurato le concentrazioni di ossigeno nelle zone impoverite utilizzando uno strumento altamente sensibile e hanno osservato, con loro sorpresa, livelli fino a pochi nanomolari per litro, circa 1, 000 volte inferiore a quello che molti altri avevano misurato in precedenza, attraverso centinaia di metri di profondità oceanica.

Zakem e Follows hanno cercato di identificare una spiegazione per concentrazioni di ossigeno così basse, e ho cercato la risposta nei batteri.

"Stiamo cercando di capire cosa controlla i grandi flussi nel sistema Terra, come le concentrazioni di anidride carbonica e ossigeno, che fissano i parametri della vita, " Zakem dice. "I batteri sono tra gli organismi sulla Terra che sono parte integrante dell'impostazione della distribuzione dei nutrienti su larga scala. Quindi siamo entrati in questo volendo sviluppare il modo in cui pensiamo ai batteri su scala climatica".

Fissare un limite

I ricercatori hanno sviluppato un semplice modello per simulare come cresce una cellula batterica. Si sono concentrati su ceppi particolarmente intraprendenti che possono passare da aerobica, respirazione ossigenata, e anaerobico, respirazione non a base di ossigeno. Zakem e Follows presumevano che quando l'ossigeno è presente, tali microbi dovrebbero usare l'ossigeno per respirare, in quanto spenderebbero meno energia per farlo. Quando le concentrazioni di ossigeno scendono al di sotto di un certo livello, i batteri dovrebbero passare ad altre forme di respirazione, come usare l'azoto invece dell'ossigeno per alimentare i loro processi metabolici.

Il team ha utilizzato il modello per identificare il limite critico al quale si verifica questo passaggio. Se quella concentrazione critica di ossigeno è la stessa delle concentrazioni più basse recentemente osservate nell'oceano, suggerirebbe che i batteri regolano le zone più basse di ossigeno dell'oceano.

Per identificare il limite critico di ossigeno dei batteri, il team ha incluso nel suo modello diversi parametri chiave che regolano una popolazione batterica:la dimensione di una singola cellula batterica; la temperatura dell'ambiente circostante; e il tasso di turnover della popolazione, o la velocità con cui le cellule crescono e muoiono. Hanno modellato l'assunzione di ossigeno di una singola cellula batterica con il cambiamento dei valori dei parametri e hanno scoperto che, indipendentemente dalle diverse condizioni, il limite critico dei batteri per l'assunzione di ossigeno era incentrato su valori evanescenti.

"La cosa interessante è che abbiamo scoperto che in tutto questo spazio dei parametri, il limite critico era sempre centrato tra 1 e 10 nanomolari per litro, " Dice Zakem. "Questa è la concentrazione minima per la maggior parte dello spazio realistico che vedresti nell'oceano. Questo è utile perché ora pensiamo di avere una buona idea su quanto si scarseggia l'ossigeno nell'oceano, e [proponiamo] che i batteri controllino quel processo".

Fertilità oceanica

Guardare avanti, Zakem afferma che il semplice modello batterico del team può essere ripiegato in modelli globali di circolazione atmosferica e oceanica. Questa sfumatura aggiunta, lei dice, può aiutare gli scienziati a prevedere meglio come cambia il clima del mondo, come il riscaldamento diffuso e la deossigenazione degli oceani, possono influenzare i batteri.

Mentre sono gli organismi più piccoli, i batteri possono potenzialmente avere effetti globali, dice Zakem. Ad esempio, poiché più batteri passano a forme anaerobiche di respirazione nelle zone deossigenate, possono consumare più azoto ed emettere come sottoprodotto biossido di azoto, che può essere rilasciato nuovamente nell'atmosfera come un potente gas serra.

"Possiamo pensare a questo cambiamento nei batteri come a un'impostazione della fertilità dell'oceano, " dice Zakem. "Quando l'azoto viene perso dall'oceano, stai perdendo nutrienti accessibili nell'atmosfera. Per sapere quanto cambieranno in futuro la denitrificazione e il flusso di biossido di azoto, abbiamo assolutamente bisogno di sapere quali controlli passano dall'uso dell'ossigeno all'uso dell'azoto. A tal proposito, questo lavoro è molto fondamentale."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.