Indagata per la prima volta la chimica attorno alle microalghe: un muco addensa le molecole per guidare i batteri all’interno della ficosfera

Un micro-universo invisibile a occhio nudo regola il respiro del nostro pianeta. Tra le onde dei mari si consuma ogni giorno un’alleanza microscopica ma fondamentale, dove la chimica sostituisce la parola e il linguaggio delle molecole guida i tasselli fondamentali della vita marina. Una ricerca del Politecnico di Zurigo (ETH) rivela per la prima volta l’architettura segreta di questo microcosmo, svelando come un sottile strato di muco trasformi la superficie delle microalghe in una bussola per i batteri dell’oceano.

Ficosfera, l’universo microscopico che nutre gli oceani

Uno dei processi biologici più importanti del pianeta si svolge su scale nanometriche, nello sconfinato silenzio della superficie oceanica. Qui avviene quasi la metà della fotosintesi che ossigena la Terra: le cellule algali microscopiche che costituiscono il fitoplancton, che eguagliano facilmente la produttività di tutte le piante terrestri messe insieme, sono anche alla base della maggior parte delle reti alimentari oceaniche.

Ogni cellula fotosinteticamente attiva rilascia un gran numero di sostanze organiche, che si allontanano gradualmente nell’acqua di mare circostante. Attorno a ogni microalga si forma così una piccola nuvola di sostanze, un microambiente localizzato che i ricercatori hanno chiamato ficosfera – in analogia con la rizosfera terrestre, la porzione di suolo che circonda le radici delle piante, da cui queste assorbono i nutrienti essenziali e l’acqua necessaria per crescere.

Come spiega Roman Stocker, professore all’Istituto di ingegneria ambientale all’ETH di Zurigo,

“La ficosfera è uno dei mercati più importanti per il carbonio organico negli oceani”.

È ormai riconosciuto che la ficosfera medi le interazioni tra fitoplancton e batteri, che modellano il ciclo globale del carbonio negli oceani: questo microambiente contiene segnali chimici che possono essere rilevati da un’ampia gamma di batteri, che seguono queste sostanze per spostarsi verso le microalghe. Eppure, i gradienti chimici attorno alle singole cellule di fitoplancton non sono mai stati misurati esplicitamente. Si presume, molto classicamente, che la loro forma sia determinata dalla diffusione ideale.
Oggi, però, i ricercatori dell’ETH hanno compiuto un passo importante verso la decifrazione del linguaggio chimico che media queste interazioni.

Il fitoplancton “a strati” come la buccia di cipolla

Il team guidato da Stocker ha misurato per la prima volta le concentrazioni della fucoxantina, un pigmento carotenoide, nelle immediate vicinanze di singole cellule microalgali viventi. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata microspettroscopia Raman per mappare accuratamente l’ambiente chimico attorno al fitoplancton, e scoperto che le cose, come spesso avviene, sono più complesse di quello che si credeva.

Come si legge nello studio pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, la concentrazione di fucoxantina aumenta molto più bruscamente del previsto vicino alla cellula del fitoplancton. Ciò indica che la ficosfera è costituita da più strati che si avvolgono come la buccia di una cipolla attorno alle microalghe al centro, creando gusci sferici progressivamente più grandi.

A determinare l’estensione dei singoli strati, spiegano i ricercatori, sono le proprietà chimiche delle sostanze essudate. Le sostanze idrosolubili come gli zuccheri e gli amminoacidi si comportano come previsto dalla semplice diffusione: la loro concentrazione diminuisce molto gradualmente all’aumentare della distanza dalle microalghe. Quelle idrorepellenti come la fucoxantina, però, si comportano diversamente. Il pigmento fotosintetico, infatti, rimane molto concentrato vicino alle microalghe e i suoi livelli diminuiscono bruscamente entro circa dieci micrometri dalla superficie cellulare.

Zachary Landry e Riccardo Foffi, i due autori principali dello studio, hanno scoperto che il responsabile di questo fenomeno potrebbe essere un sottile strato di muco che circonda le microalghe.

La scoperta: un muco che guida i batteri verso le microalghe

Secondo i ricercatori, uno strato simile al muco avvolge le microalghe e influenza la diffusione di alcune sostanze. Nello specifico, spiega Foffi,

“facilita la dispersione delle sostanze idrorepellenti nell’acqua”.

Allo stesso tempo, il muco trattiene queste molecole, impedendo loro di allontanarsi dalla cellula e determinando concentrazioni significativamente più elevate vicino alla superficie cellulare.

“Di conseguenza vengono creati segnali chimici molto più forti. Ciò rende più facile per i batteri individuare minuscole cellule microalgali nell’oceano”,

aggiunge Landry.

Questa scoperta cambia per sempre la nostra comprensione della ficosfera, e ha implicazioni profonde per i modelli delle interazioni tra fitoplancton e batteri. L’area che circonda le microalghe è molto più complessa di quanto si pensasse. Queste nuove intuizioni, concludono i ricercatori, potrebbero rivelare nuove informazioni su un aspetto cruciale del ciclo del carbonio degli oceani.

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