Yellowstone Caldera

Vita alle alte temperature

Introduzione ai microorganismi termofili (amanti del caldo)

Nel Parco Nazionale di Yellowstone (YNP) i microorganismi termofili proliferano nelle calde pozze idrotermali o nei loro canali di drenaggio. Si tratta principalmente di procarioti (batteri ed archaea), perfettamente adattati a svilupparsi in questi ambienti. A temperature più moderate, tuttavia, sono presenti anche alghe eucarioti. Questi microorganismi termofili mostrano distinte zonazioni in accordo agli specifici valori ottimali di temperatura e di acidità dell'acqua (pH). Le acque idrotermali dello YNP presentano valori di pH variabili da 1 a 10, temperature che da ambiente possono raggiungere i 93 °C (punto di ebollizione alla quota di Yellowstone) e alte concentrazioni di As, H2S, SO4, e HCO3. Sono sede di numerose reazioni chimiche con conseguente formazione di depositi minerali, quali ad esempio le spettacolari terrazze calcaree delle Mammoth Hot Springs.

A qualcuno piace caldo

Negli anni sessanta, quando gli scienziati iniziarono a studiare la biologia delle sorgenti calde di Yellowstone, il limite massimo di temperatura compatibile con la vita era stimato intorno ai 73 °C. Per cui grande fu lo stupore del Prof. Thomas D. Brock e dei suoi colleghi nello scoprire in diverse sorgenti termali della Great Fountain area nel Lower Geyser Basin (area dal pH neutro o debolmente alcalino), il primo estremofilo capace di prosperare a temperature ancora più elevate. Denominato Thermus aquaticus, è stato il primo ad essere identificato tra gli Archaea, antichi microorganismi che l'analisi molecolae degli acidi nucleici e delle proteine ha oggi rivelato essere un gruppo filogeneticamente distinto sia dai Batteri che dagli Eucarioti.

Il Thermus aquaticus vive e si riproduce a 50-80 °C. A queste temperature il suo habitat coincide con quello dei batteri fotosintetici, quali i cianobatteri, con i quali vive in associazione in molte sorgenti idrotermali, ricavando energia dal processo di fotosintesi ad opera di questi microorganismi. Tuttavia il Thermus aquaticus può essere ritrovato anche a temperature troppo elevate per la fotosintesi, e in questi ambienti esso sopravvive grazie alle piccole quantità di sostanza organica presente nell'acqua della sorgente, risultando visibileanche ad occhio nudo. Dal Thermus aquaticus è stato purificato uno straordinario enzima termostabile, chiamato Taq polimerasi, che ha permesso di rivoluzionare l'applicazione metodica della PCR (tecnica del DNA ricombinante) e di tutte le sue applicazioni, non solo nella ricerca di base, ma anche nell’industria, nella diagnostica precoce (per es. dell'AIDS) e nella medicina legale (esame del DNA).

A qualcuno piace molto caldo

A Brock si deve pure la scoperta del primo microrganismo ipertermofilo: l'archaeon Sulfolobus acidocaldarius, rinvento in una sorgente idrotermale estremamente calda ed acida. La maggior parte delle specie di Sulfolobus si sviluppano a temperature che raggiungono gli 85-90 °C. Questi ipertermofili ricavano energia dall'ossidazione dei granuli di zolfo intorno alle sorgenti calde, formando acido solforico e riducendo pertanto il pH dell'acqua.Questo accade per esempio nell'area del Norris Basin. Dopo aver raccolto l'ipertermofilo Sulfolobus solfataricus dall'area vulcanica della Solfatara di Pozzuoli, nei pressi di Napoli un gruppo di ricercatori del CNR di Napoli ha impiegato un suo enzima, l'ADH, in esperienti di cristallizzazione a bordo dello Space Shuttle.

Evoluzione e colori

La vita, come noi la conosciamo, si ritiene possa essere apparsa per la prima volta sulla Terra oltre tre miliardi di anni fa, proprio in ambienti ad alta temperatura, che presentavano quindi molte delle condizioni ottimali per la crescita di microorganismi termofili. Questi potrebbero essere sopravvissuti alle varie ere geologiche, rifugiandosi nelle calde sorgenti idrotermali. Inoltre, per la loro natura ancestrale, questi termofili possono essere considerati i progenitori di tutte le altre forme di vita che popolano il pianeta.

Le strutture idrotermali di Yellowstone devono i loro caratteristici colori ai microorganismi termofili. A conferire le vivaci colorazioni concorrono sia pigmenti fotosintetici verdi (clorofilla), che pigmenti carotenoidi (precursori della vitamina A) di color arancione, giallo o rosso. I carotenoidi proteggono le cellule dalla radiazione solare particolarmente intensa a Yellowstone, specie nei mesi estivi. La colorazione di un "tappeto" di microorganismi dipende principalmente dal rapporto tra clorofilla e carotenoidi in esso presenti. Perciò non è tanto il genere di microorganismo che ne determina il colore, quanto piuttosto la sua peculiare modalità di risposta alla radiazione solare.

Sintesi compilata da Valeria Perin.