I microbi “zombi” ridefiniscono i limiti energetici della vita
L'energia guida il pianeta; è la valuta che tutti gli esseri viventi usano per crescere, svilupparsi e funzionare. Ma di quanta poca energia hanno bisogno le cellule per cavarsela? I microbi che vivono nei sedimenti al di sotto del fondo marino – che potrebbero essere più numerosi delle cellule microbiche presenti negli oceani stessi – stanno fornendo alcune risposte sorprendenti. Gli organismi non solo sfidano ciò che gli scienziati pensavano di sapere sui bisogni energetici della vita, ma suggeriscono nuovi modi per definire cos'è la vita e dove potremmo trovarla.
La scorsa settimana su Science Advances , i ricercatori hanno presentato il quadro più completo fino ad oggi della strana biosfera nascosta sotto il fondo del mare. Le spedizioni di perforazione oceanica hanno ripetutamente sondato quelle profondità senza luce e cellule scoperte che sopravvivono quasi in animazione sospesa , consumando ordini di grandezza in meno di energia rispetto ai loro vicini in superficie. Ma il modello presentato nel nuovo studio mostra che questo stato simile a uno zombie si applica probabilmente alla stragrande maggioranza dei microbi nei sedimenti oceanici – e che in genere sopravvivono con budget energetici prossimi a un minimo teorico per la vita.
"Questa intera biosfera di cellule, di dimensioni equivalenti al suolo del mondo, ha appena l'energia sufficiente per sopravvivere", ha detto James Bradley , geobiologo della Queen Mary University di Londra e autore principale del nuovo studio di modellazione.
Per conoscere i microbi che vivono nei sedimenti sottomarini, gli scienziati devono in genere fare spedizioni di perforazione per recuperarne campioni. Ma quelle missioni sono difficili e costose – e con il 70% della superficie terrestre coperta dagli oceani, "ci siamo resi conto molto rapidamente che non avremo il numero di campioni che è veramente necessario per mappare i sedimenti marini", ha detto Jan Amend , direttore del Center for Dark Energy Biosphere Investigations presso l'Università della California meridionale e coautore dell'articolo. "Quindi dobbiamo utilizzare i dati esistenti ed estenderli con approcci di modellazione".
A tal fine, Amend, Bradley e il resto del loro team hanno suddiviso gli oceani in centinaia di migliaia di sezioni e hanno utilizzato i dati di decenni di spedizioni, esperimenti di laboratorio e modelli teorici per estrapolare un profilo dettagliato dei sedimenti più giovani in ciascuna di esse. I valori stimati includevano l'età dei sedimenti, la densità e la distribuzione delle cellule al loro interno, il modo in cui quelle cellule ricevevano la loro energia e la velocità con cui le cellule metabolizzavano i nutrienti disponibili.
Da questi valori, i ricercatori hanno calcolato il consumo di energia delle cellule in ciascuna regione – la velocità con cui le cellule ottengono e utilizzano energia, piuttosto che solo la quantità di energia stessa. "Questo è importante, perché è un modo più accurato per parlare dell'energetica della vita", ha detto Karen Lloyd , microbiologa dell'Università del Tennessee, Knoxville, che non è stata coinvolta nello studio. "Il tempo conta davvero per la vita."
Uno Zeptowatt di vita
Hanno scoperto che le cellule sepolte nei sedimenti oceanici funzionano a livelli di potenza incredibilmente bassi. In totale, i microbi in quei sedimenti, che in alcuni punti potrebbero estendersi per chilometri al di sotto del fondo del mare, utilizzano collettivamente solo un decimo percento dell'energia consumata nei 200 metri superiori dell'oceano. Ogni cellula, in media, sopravvive al seppellimento dei sedimenti a un livello di potenza significativamente inferiore a quello di "alcune delle cose più affamate di energia al mondo", come dice Lloyd – e ordini di grandezza inferiori a quelli di qualsiasi organismo mai misurato nelle impostazioni di laboratorio.
I calcoli erano in linea con il precedente lavoro teorico dei membri del team che nel 2015 hanno cercato di stimare la quantità più bassa di energia necessaria per la vita, sulla base della premessa che anche le cellule profondamente dormienti devono riparare i danni casuali alle loro molecole essenziali per sopravvivere. Essi hanno scoperto che per le singole cellule, questo minimo di potenza aleggia intorno ad uno zeptowatt, o 10 -21 watt. Questa è all'incirca la potenza necessaria per sollevare un millesimo di grano di sale di un nanometro una volta al giorno. (Per riferimento, un corpo umano utilizza in media circa 100 watt, la potenza di una luce di lettura.) Il nuovo modello suggerisce che le cellule che vivono nei sedimenti sottomarini assorbono solo leggermente più energia di quella.
Sebbene questi tipi di misurazioni siano stati precedentemente effettuati per singoli siti sottomarini, tendevano a esistere in qualche modo isolati. "Abbiamo fatto un sacco di buchi individuali qua e là", ha detto Lloyd, "ma questo documento in realtà lo mette insieme e lo mette in una prospettiva globale".
Una biosfera di stasi
L'implicazione delle stime dello studio è che questo bioma sotterraneo non ha quasi nessuna divisione cellulare: alcune singole cellule laggiù potrebbero avere 100 milioni di anni. Significa anche che in tutto quel tempo, quelle cellule potrebbero non essersi evolute o essere cambiate molto. È una biosfera caratterizzata dalla stasi. "In realtà, la maggior parte delle cellule si aggrappa a malapena", ha detto Amend. "Il nostro concetto di come si evolvono le cellule esce dalla finestra per questa biosfera incredibilmente grande."
Eppure, a causa del loro numero e degli eoni durante i quali sono sopravvissuti, queste cellule quasi ma non del tutto morte svolgono un ruolo importante nella produzione di metano, nella degradazione della più grande riserva di carbonio organico del pianeta e in altri processi. "Sono esseri così straordinariamente a bassa potenza, ma in realtà hanno un effetto enorme sulla Terra", ha detto Lloyd.
Tutto sommato, "non hai bisogno di molta potenza per far andare la vita", ha aggiunto. E questo apre la possibilità che la vita esista in regni in cui gli scienziati potrebbero non aver guardato prima, inclusi pianeti che non sembrano ospitali. Forse, ad esempio, le cellule sono riuscite a sopravvivere su mondi che un tempo avevano oceani aspettando il loro tempo finché le condizioni non migliorassero.
Sebbene questo modello sia completo, non è ancora completo: si concentra sui sedimenti sotterranei più giovani che risalgono a circa 2,6 milioni di anni fa. I microbi nei sedimenti più profondi potrebbero utilizzare ancora meno energia, mentre le cellule in altri habitat sottomarini, come le rocce della crosta terrestre, potrebbero usarne di più.
Anche le ipotesi del modello meritano un ulteriore esame. "Ci sono molti dettagli qui che vale la pena esaminare", ha detto Steve D'Hondt , un oceanografo presso l'Università del Rhode Island che non è stato coinvolto nello studio. Alcune delle stime del nuovo lavoro sulla distribuzione geografica dei metabolismi aerobici e anaerobici, ad esempio, non sono del tutto in linea con i risultati precedenti, afferma.
Ma c'è da aspettarselo, ha aggiunto D'Hondt: i modelli scoprono modelli e fanno previsioni per ulteriori test. Yuki Morono , un microbiologo presso l'Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia della terra marina, ha scoperto che il lavoro di modellazione di Bradley e colleghi integra le sue scoperte sulla vita dei sedimenti profondi e potrebbe aiutare a riempire alcuni vuoti.
Sopravvivenza ai margini
Morono e D'Hondt erano i leader di un team di ricercatori che due settimane fa ha annunciato di aver rianimato i batteri intrappolati in un sonno lungo 100 milioni di anni molto al di sotto del fondo marino. Hanno accuratamente indotto la maggior parte delle cellule dormienti in quei sedimenti a riportarle in uno stato di crescita che era più riconoscibilmente vivo. Tuttavia, quando avevano provato la stessa cosa in uno studio precedente con sedimenti più giovani e più ricchi di nutrienti, potevano resuscitare solo una frazione più piccola dei microbi – un risultato controintuitivo, dal momento che quelle cellule avevano risieduto in un ambiente apparentemente meno duro.
Il modello nel nuovo articolo di Bradley suggerisce una possibile spiegazione: quando il sedimento vecchio di 100 milioni di anni si è formato per la prima volta, i microbi intrappolati potrebbero aver effettivamente avuto più energia o potere. Secondo Morono, forse quella condizione iniziale, seguita da un calo più immediato dei livelli di energia, in qualche modo ha reso più probabile la sopravvivenza a lungo termine man mano che le cellule venivano seppellite più in profondità.
È fiducioso che i ricercatori continueranno a integrare le informazioni di più studi in modelli per ottenere questo tipo di intuizioni. Ma già la modellazione sembra aver contribuito a confermare qualcosa che molti scienziati hanno sospettato. “Quali sono i margini della vita? Di cosa hai bisogno perché sia la vita? " Ha detto Lloyd. "Si scopre, non molto."
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/zombie-microbes-redefine-lifes-energy-limits-20200812/ in data Wed, 12 Aug 2020 14:05:05 +0000.