Da dove proviene l'ossigeno che respiriamo?

Alla domanda: “Da dove viene l’ossigeno che respiriamo?”, la maggior parte di noi risponderebbe dalle piante, tenendo presente l’immagine della foresta amazzonica o delle nostre montagne, associata all’importanza della loro conservazione. Tuttavia, la risposta corretta include, insieme alle piante, minuscoli organismi marini che galleggiano a migliaia in ogni goccia d’acqua: i cianobatteri.

I cianobatteri marini sono responsabili di oltre il 50% dell’ossigeno prodotto sulla Terra. Forniscono ossigeno al mare e permettendo agli esseri marini di respirare. Se i cianobatteri smettessero di svolgere la loro funzione, il mare sarebbe un cimitero. Ci hanno dato la sacca di ossigeno primordiale da cui respiriamo ancora oggi.

Come è stato creato l’ossigeno che respiriamo

Durante la prima metà della storia del nostro pianeta non c’era ossigeno nell’atmosfera. Furono i primi cianobatteri a sviluppare la fotosintesi ossigenata: un metodo per prendere energia dalla luce solare per produrre zuccheri dall’acqua e CO₂, con conseguente rilascio di ossigeno.

Questo evento spettacolare noto come il Grande Evento Ossidativo o la rivoluzione dell’ossigeno è stato decisivo nella nostra storia evolutiva. L’aumento della concentrazione di ossigeno ha permesso la comparsa di forme di vita multicellulari, che sono aumentate di complessità fino a raggiungere l’attuale biodiversità.

Oggi continuiamo a vivere di questa riserva creata in milioni di anni, che si mantiene grazie al fatto che l’equilibrio con gli altri processi in cui si consuma ossigeno è quasi nullo. Solo un millesimo dell’attività fotosintetica mondiale sfugge ai processi biologici e viene aggiunto all’ossigeno atmosferico.

La mancanza di ossigeno che devasta la vita marina

Sulla superficie degli oceani, i cianobatteri marini producono enormi quantità di ossigeno. Abbastanza per la vita marina. Tuttavia, a volte il sistema diventa sbilanciato e le acque diventano inabitabili per la maggior parte degli organismi aerobici.

In essi la solubilità dell’ossigeno è minore, l’acqua meno densa e non ci sono correnti per la ventilazione. Queste aree si sono moltiplicate negli ultimi anni, principalmente a causa del riscaldamento degli oceani, che diminuisce la solubilità dei gas e per l’eccesso di nutrienti, dovuto all’attività antropica. È quanto accade, ad esempio, nel Mar Menor, che a causa dello scarico di grandi quantità di nutrienti dall’attività agricola (nitrati e fosfati) provoca l’eutrofizzazione e diminuisce l’ossigeno di cui i pesci hanno bisogno per vivere.

Le conseguenze di queste zone ipossiche sulla vita marina sono evidenti. Sopravvivono solo quegli individui che possono migrare in altre regioni e gli organismi che non possono muoversi da soli o muoversi molto lentamente (alghe, invertebrati, molluschi, coralli, fanerogame marine, alcuni echinodermi, ecc.) muoiono o moriranno.

Se finissimo l’ossigeno degli oceani, ci sarebbe un’enorme perdita di habitat e biodiversità.

L’importanza dei cianobatteri marini

I cianobatteri marini fanno parte, insieme alle alghe unicellulari, del fitoplancton. Questi microrganismi galleggiano a migliaia in ogni goccia d’acqua negli strati superiori dell’oceano e costituiscono il primo anello della catena alimentare di questi ecosistemi. Senza di loro, mari e oceani sarebbero deserti senza vita. Inoltre, contribuiscono in modo sostanziale al mantenimento dei cicli di carbonio, ossigeno e azoto nella biosfera.

Questi microrganismi completano il loro ciclo di rinnovamento e morte in pochi giorni. Sono la fonte che produce la maggior parte dell’ossigeno del mondo e oltre ad assorbire luce e rilasciare ossigeno, rimuovono la CO₂ disciolta per fissarla, sotto forma di carboidrati, alle loro strutture biologiche. Quando il fitoplancton muore, parte del carbonio sequestrato cade nelle profondità dell’oceano.

Marina di cianobatteri: Synechococcus y Prochlorococcus

I cianobatteri marini sono per lo più costituiti da due grandi generi: Synechococcus e Prochlorococcus. Fino a circa 45 anni fa, questi microrganismi erano completamente sconosciuti. Synechococcus non è stato scoperto fino alla fine degli anni ’70 e il suo parente più stretto, Prochlorococcus, fino al 1986.

La distribuzione oceanica di questi gruppi dipende, tra gli altri fattori, dalla disponibilità di nutrienti e dalla temperatura. Mentre il Prochlorococcus abbonda nelle acque povere di nutrienti delle zone subtropicali e tropicali, il Synechococcus prospera in acque con livelli di nutrienti intermedi e moderatamente bassi, colonizzando un ampio numero di nicchie ecologiche. Studi recenti hanno dimostrato che anche le interazioni con i predatori sono un fattore importante nella distribuzione di questi microrganismi.

Sebbene i cianobatteri richiedano l’azoto come nutriente essenziale per la crescita, la sua disponibilità è un fattore limitante negli oceani. Possiamo trovare questo elemento sotto forma di ammonio, urea, nitrito, nitrato o aminoacidi, essendo il primo la fonte preferita di questi microrganismi.

Entrambi i sessi sono in grado di coesistere?

Entrambi gli organismi abitano aree in cui i nutrienti sono molto scarsi e potremmo chiederci se possono coesistere, oppure la presenza dell’uno esclude l’altro in quanto sono concorrenti per gli stessi nutrienti. La risposta è sì, coesistono.

Sebbene il Prochlorococcus sia più abbondante, il Synechococcus marino è in grado di coesistere con successo, anche nelle zone oligotrofiche degli oceani. Allora come lo ottieni? Questa risposta non è ancora nota con certezza, ma un’ipotesi è che Synechococcus preferisca utilizzare il nitrato nel mezzo e non competere per l’ammonio.

Per questo motivo, l’assimilazione del nitrato è di particolare interesse, perché è una forma abbondante di azoto negli ambienti marini, sebbene allo stesso tempo sia una fonte costosa per la cellula, poiché è completamente ossidata e la cellula ha bisogno di trasportare due reazioni di riduzione per poterlo utilizzare: deve passare il nitrato a nitrito e il nitrito ad ammonio. Inoltre, quasi tutti i ceppi marini di Synechococcus possiedono i geni che codificano per il meccanismo di assimilazione dei nitrati, a differenza della maggior parte dei Prochlorococcus, che non lo fanno.

Il lavoro in laboratorio con Synechococcus consiste nel misurare diversi parametri che indicano lo stato delle colture in base alla disponibilità di azoto. Alcuni risultati preliminari suggeriscono l’esistenza di un sistema che consente a Synechococcus di rilevare concentrazioni nanomolari di nitrati.