Il plancton fotosintetico come queste diatomee del Mare di Ross sono attori chiave nel ciclo globale del carbonio e costituiscono la base delle reti trofiche marine, ma un nuovo studio rivela che la loro capacità di acquisire ferro è altamente sensibile all'acidificazione degli oceani. Credito:Jeff McQuaid
Un team guidato da scienziati della Scripps Institution of Oceanography dell'Università della California a San Diego e del J. Craig Venter Institute (JCVI) ha dimostrato che l'eccesso di anidride carbonica aggiunta all'atmosfera attraverso la combustione di combustibili fossili interferisce con la salute del fitoplancton che costituiscono la base delle reti trofiche marine.
Il fitoplancton sono piante microscopiche la cui crescita nelle acque superficiali dell'oceano supporta le reti trofiche oceaniche e la pesca marina globale. Sono anche agenti chiave nella rimozione a lungo termine dell'anidride carbonica (CO 2 )
Come riportato nell'edizione del 14 marzo di Natura , il team mostra che un meccanismo ampiamente utilizzato dal fitoplancton per acquisire ferro richiede ioni carbonato. Aumento delle concentrazioni di CO . atmosferica 2 stanno acidificando l'oceano e diminuendo i carbonati, e il team mostra come questa perdita di carbonato influenzi la capacità del fitoplancton di ottenere una quantità sufficiente di ferro nutriente per la crescita. L'acidificazione degli oceani è destinata a ridurre la concentrazione di ioni carbonato sulla superficie del mare del 50% entro la fine di questo secolo.
Lo studio, "La fitotransferrina sensibile ai carbonati controlla l'assorbimento di ferro ad alta affinità nelle diatomee, " è stato finanziato dalla National Science Foundation, la Fondazione Gordon e Betty Moore, e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Rivela una svolta inaspettata alla teoria di come il ferro controlla la crescita del fitoplancton. Mostrando come la perdita di carbonato dell'acqua di mare ostacoli la capacità del fitoplancton di aggrapparsi al ferro, gli autori mostrano una connessione diretta tra gli effetti dell'acidificazione degli oceani e la salute del fitoplancton alla base della catena alimentare marina.
"In definitiva il nostro studio rivela la possibilità di un 'meccanismo di feedback' operante in parti dell'oceano dove il ferro già limita la crescita del fitoplancton, "ha detto Jeff McQuaid, autore principale dello studio che ha fatto le scoperte come studente di dottorato presso Scripps Oceanography. "In queste regioni, alte concentrazioni di CO . atmosferica 2 potrebbe diminuire la crescita del fitoplancton, limitare la capacità dell'oceano di assorbire CO 2 e portando così a concentrazioni sempre più elevate di CO 2 accumulandosi nell'atmosfera».
"Studi che studiano gli effetti dell'elevata CO 2 sulla crescita del fitoplancton hanno mostrato fino ad oggi risultati contrastanti. In alcuni casi, alcuni fitoplancton sembrano beneficiare di un'elevata CO 2 , " ha aggiunto Andrew E. Allen, un biologo con un incarico congiunto presso Scripps e JCVI che è autore senior e iniziatore dello studio. "La maggior parte di questi studi, però, sono stati condotti in condizioni di alto contenuto di ferro. Il nostro studio scopre un meccanismo cellulare diffuso che suggerisce un'elevata CO 2 potrebbe essere particolarmente problematico per la crescita del fitoplancton nelle regioni a basso contenuto di ferro dell'oceano".
L'autore principale Jeff McQuaid osserva una serie di pompe progettate per testare gli effetti dell'elevata CO 2 sul fitoplancton del Mare di Ross in Antartide. Diversi studi recenti hanno notato che un'elevata CO 2 ha un effetto negativo sul fitoplancton che cresce in ambienti a basso contenuto di ferro come l'Oceano Antartico Credito:A.E. Allen
Una conseguenza dell'acidificazione è una riduzione quasi uno a uno della concentrazione di ioni carbonato per ogni molecola di CO 2 che si dissolve nell'oceano. La concentrazione di CO . atmosferica 2 si prevede che raddoppierà entro la fine di questo secolo; così, la concentrazione di ioni carbonato sulla superficie dell'oceano si dimezzerà quasi entro l'anno 2100. Mentre è nota l'influenza negativa dell'acidificazione su coralli e crostacei, questo è il primo studio a rivelare un meccanismo che influenza la vita e che costituisce la base della maggior parte delle reti trofiche marine.
Questo studio rivede un concetto chiave nell'oceanografia secondo cui la crescita del fitoplancton in vaste aree dell'oceano è regolata dalla concentrazione di ferro. Nelle regioni oceaniche ad alto contenuto di nutrienti disciolti come azoto e fosforo, la limitazione del ferro si traduce in un basso numero di fitoplancton rispetto alle quantità di nutrienti disponibili. L'aggiunta di ferro a queste aree provoca fitoplancton, in particolare diatomee, crescere. Nella più grande di queste regioni, l'Oceano Meridionale, le concentrazioni di ferro disponibile sono inferiori a un trilionesimo di grammo per litro, avvicinarsi al limite di sostenere la vita.
Gli scienziati marini hanno trascorso decenni a studiare come il fitoplancton sia in grado di catturare concentrazioni così basse di ferro dall'acqua di mare e di interiorizzarlo.
"Comprendere il meccanismo di assorbimento del ferro è fondamentale per sviluppare previsioni significative su come il fitoplancton può rispondere alle future condizioni oceaniche, ma questa comprensione è stata sfuggente, " ha detto Adam Kustka, un fisiologo dei metalli in tracce e collaboratore di progetto della Rutgers University.
Gli indizi cominciarono a emergere nel 2008, quando Allen scoprì diversi geni sensibili al ferro nelle diatomee che non avevano alcuna funzione nota. Quello stesso anno, McQuaid stava viaggiando nell'Antartide orientale per assistere a un rilevamento del plancton nell'Oceano Antartico. L'analisi del DNA di quei campioni ha rivelato che uno dei geni del ferro di Allen non era presente solo in ogni campione di acqua di mare, ma ogni grande gruppo di fitoplancton nell'Oceano Meridionale sembrava averne una copia.
"Questo gene, denominata ISIP2A, era uno dei geni più abbondantemente trascritti nell'Oceano Meridionale a basso contenuto di ferro, suggerendo che aveva un ruolo davvero importante nell'ambiente, " disse Allen.
Andrew Allen prepara un campione di fitoplancton filtrato dal Mare di Ross. In molti dei campioni marini antartici, la fitotransferrina era tra le proteine più abbondanti rilevate. Credito:E. Bertrand
Studi precedenti hanno suggerito una proteina simile alla transferrina, chiamata fitotransferrina, era al lavoro nell'ambiente marino, ma ISIP2A non assomigliava per niente alla transferrina. Ci volle lo sviluppo di una disciplina completamente nuova, biologia sintetica, per aiutare a dimostrare l'ipotesi del team che ISIP2A fosse un tipo di transferrina. La biologia sintetica è la fusione di biologia e ingegneria, e in collaborazione con scienziati del Venter Institute, il team ha sviluppato metodi per inserire il DNA sintetico in una diatomea marina. Gli scienziati hanno cancellato ISIP2A e lo hanno sostituito con un gene sintetico per la transferrina umana, dimostrando che ISIP2A era un tipo di transferrina.
Il team ha quindi avviato uno studio per studiare le relazioni evolutive della transferrina e della fitotransferrina. Con loro sorpresa, le proteine erano analoghi funzionali le cui antiche origini si estendono al periodo pre-cambriano della storia della Terra, precedendo la comparsa di piante e animali moderni.
"L'apparizione della fitotransferrina circa 700 milioni di anni fa è coerente con un periodo della storia della Terra segnato da enormi cambiamenti nella chimica degli oceani, e questa antica storia evolutiva aiuta a spiegare perché nessuno ha collegato ISIP2A e transferrina, " disse Miroslav Obornik, un biologo evoluzionista molecolare dell'Università della Boemia meridionale e coautore dell'articolo.
Nella transferrina, ferro e carbonato si legano contemporaneamente, e nessuno dei due può vincolare in assenza dell'altro. Tale legame sinergico è unico tra le interazioni biologiche. Il team di ricerca ha ipotizzato che la fitotransferrina di diatomee utilizzi un meccanismo simile e che, di conseguenza, la riduzione dello ione carbonato potrebbe portare a una riduzione dei tassi di crescita del fitoplancton.
Utilizzando una serie di metodi biochimici, i ricercatori sono stati in grado di manipolare in modo indipendente il pH insieme alle concentrazioni di ferro e ione carbonato. Mentre pompavano a concentrazioni crescenti di CO 2 , il team ha dimostrato che la capacità della loro diatomea di aggrapparsi al ferro è diminuita proporzionalmente alla concentrazione di ioni carbonato.
"Poiché il carbonato e il ferro devono legarsi contemporaneamente, quando le concentrazioni di carbonato diminuiscono, la fitotransferrina è in grado di 'vedere' meno ferro, " ha detto McQuaid. "La quantità totale di ferro non sta cambiando - piuttosto cambia la capacità di afferrarlo, e questo alla fine influenza il tasso di crescita".
