La ricerca polare del CNR

Meccanismi fisiologici e biochimici dell'adattamento

La comprensione di come i pesci si siano evoluti per potersi adattare richiede lo studio dei meccanismi molecolari alla base degli adattamenti. A 1,9·C la sopravvivenza di pesci di acque temperate sarebbe impossibile. Invece, i pesci antartici sono adattati perfettamente, anzi un aumento di pochi centigradi avrebbe effetti letali. In Antartide, l'ittiofauna è costituita per il 50-60 per cento da pesci di un unico sottordine, quello dei Nototenioidei, che comprende 8 famiglie. Una, quella degli icefish, è priva di emoglobina. Essa ha sviluppato meccanismi di adattamento fisiologico e biochimico che la rendono unica al mondo e che illustrano le strategie cui possono far ricorso gli organismi viventi in risposta ad una forte pressione ambientale. Sotto questo punto di vista, lo scenario dei mari antartici, popolato da una fauna ittica tassonomicamente uniforme, è un'area di ricerca ideale, nella quale i pesci sono a loro volta un sistema di studio ideale a causa della loro specializzazione. [FIG. 17]

Fig. 17: Icefish (Chionodraco Hamatus, fam. Channichthyidae)

Nell'organismo molti sono i sistemi che collegano strettamente l'ambiente esterno con le necessità fisiologiche: sistemi di trasporto e di utilizzo dell'ossigeno, enzimi e metabolismo, sistema nervoso, sistema cardiovascolare, sistema immunitario, cromosomi e filogenesi, meccanismi dell'omeostasi, membrane cellulari, regolazione ed espressione dei geni. L'insieme di questi sistemi è uno strumento di studio eccezionale per capire l'impatto dell'ambiente sull'evoluzione cellulare e molecolare. Il confronto tra adattamenti che derivano dal modo di vita, dagli effetti termodinamici e biochimici e dalle limitazioni energetiche costituisce un problema concettuale che riguarda qualsiasi ambiente, ma che forse è valutabile in modo quantitativo soltanto in Antartide. In sintesi, le conoscenze sull'ittiofauna antartica sono un riferimento obbligato per gli studi sui sistemi molto più complessi delle altre latitudini.

Diversamente a quanto avviene in Antartide, l'isolamento dei pesci artici è meno spinto; essi hanno più gradi di libertà, che rendono molto più difficile lo studio del loro adattamento. Nell'oceano artico e nelle terre che lo circondano, è possibile registrare escursioni termiche stagionali tali da permettere agli organismi viventi di essere presenti in gran numero in mare e sulle terre emerse. Il territorio colonizzato è molto esteso, oltre ad essere direttamente collegato alle aree temperate. Ciò rende assai più facile l'adattamento e la ridistribuzione degli organismi terrestri, ed allo stesso tempo produce ampi e complessi meccanismi terrestri di feedback per il clima, i quali si aggiungono a quelli che hanno origine dalla circolazione atmosferica ed oceanica. Inoltre, l'impatto antropico sull'ambiente è molto più cospicuo. L'Artico costituisce quindi un sistema intermedio ideale; è infatti un importantissimo elemento di transizione tra il sistema antartico, più estremo, ed i sistemi temperati e tropicali, i quali sono enormemente più complessi.

Nella biologia artica, lo studio della biodiversità è di importanza fondamentale, in quanto essa è strettamente collegata con i mutamenti ambientali indotti dall'uomo. Pertanto, in questo scenario il mantenimento della biodiversità è un obiettivo primario. Un passo necessario per prefigurare questo mantenimento è lo studio delle strategie adattative fisiologiche e biochimiche degli organismi artici marini e terrestri. Punto d'inizio è la identificazione di specie-modello che, avendo sviluppato gli adattamenti necessari a vivere nelle loro nicchie ecologiche, possono rappresentare "sonde" biologiche per il monitoraggio di mutamenti indotti dall'uomo che possano danneggiare la biodiversità.

Gli studi sui meccanismi fisiologici, biochimici e molecolari dell'adattamento, coordinati dall'Istituto di Biochimica delle Proteine ed Enzimologia di Napoli, appartengono ormai alla tradizione storica del Consiglio Nazionale delle Ricerche e rappresentano una delle più feconde espressioni della ricerca scientifica italiana in campo internazionale. Questi studi, che costituiscono parte essenziale del Global Change, aiuteranno anche a comprendere come organismi specializzati possano reagire a cambiamenti ambientali causati dall'uomo. Per estendere le conoscenze tra strategie adattative e basse temperature (in un ambiente in cui l'evoluzione è semplificata dall'isolamento e dalla costanza delle condizioni estreme) il dialogo tra ecologia e modo di vita da una parte, e fisiologia, biochimica e biologia molecolare dall'altra diventa essenziale. Infatti, la complessità dell'adattamento evolutivo richiede un approccio multidisciplinare nel quale molte discipline (che oggi si servono di tecnologie molto avanzate) vengano utilizzate in modo coordinato e complementare per studiare molecola, cellula, organo e organismo attraverso l'azione concentrata di vari laboratori in Italia ed in altre nazioni. Ciò costituisce l'aspetto più originale ed innovativo di queste ricerche che, in aggiunta ad un'altra credibilità scientifica, tende anche alla massima razionalizzazione degli investimenti economici.

Fig. 18: principali processi studiati in ambiente pelagico

Anidride carbonica e cicli biogeochimici negli oceani polari

La maggior parte dei modelli che mettono in relazione atmosfera ed oceano confermano l'importanza dei cicli biogeochimici e della circolazione oceanica sul controllo della concentrazione di anidride carbonica (CO2) contenuta in atmosfera, la quale, come è noto, influenza il clima planetario. L'anidride carbonica viene ceduta dall'atmosfera alle acque superficiali oceaniche. Qui il carbonio viene assimilato dagli organismi marini attraverso la fotosintesi (fitoplancton) e la nutrizione, e successivamente assimilato dagli organismi marini attraverso la fotosintesi di sedimentazione della materia organica. Questo meccanismo, conosciuto come "pompa biologica" è quindi responsabile dell'assorbimento della CO2 contenuta nell'atmosfera. L'anidride carbonica, una volta assorbita e trasportata sul fondo degli oceani può rimanere fuori dell'atmosfera per oltre 500 anni. Parallelamente alla "pompa biologica", agisce la "pompa di solubilità", il fatto cioè che parte della anidride carbonica dell'atmosfera si solubilizza nelle acque oceaniche in modo tanto maggiore quanto minore è la temperatura di queste. Senza questi meccanismi, il contenuto di CO2 in atmosfera sarebbe ora assai superiore, contribuendo alla già grave tendenza al riscaldamento del pianeta; tuttavia il loro peso relativo in presenza di variazioni nella concentrazione di gas serra in atmosfera e di temperatura è tutto ancora da chiarire. [Fig. 18]

I mari polari, per la loro bassa temperatura, hanno un'alta capacità di assorbire CO2 e gas atmosferici e rappresentano, dunque, aree critiche di scambio; variazioni nei cicli biogeochimici in queste regioni possono alterare in maniera significativa il livello atmosferico di CO2 e potenzialmente avere un impatto sul clima globale. Abbiamo già accennato alla previsione di un non uniforme riscaldamento del pianeta; gli attuali modelli prevedono che il riscaldamento globale dell'Artico e dell'Antartide sarà superiore a quello medio del pianeta. Questo consistente aumento di temperatura (2-3·C) potrà influenzare in modo consistente le condizioni di temperature e di copertura di ghiaccio marino e, di conseguenza, gli scambi di gas, ed in particolare di CO2, fra oceano antartico ed atmosfera che dipendono da queste condizioni. Recentemente, tuttavia, è stata suggerita l'ipotesi che una fertilizzazione di vaste aree dell'oceano antartico porterebbe ad un assorbimento di importanti quantità di CO2 atmosferica in grado di contrastare l'aumento di questo gas a causa dalle pesanti immissioni legate all'attività umana avvenute nell'ultimo secolo. Si comprende, allora, l'importanza di conoscere questi meccanismi di scambio per poterne valutare le modificazioni in presenza di variazioni delle condizioni climatiche. [Fig. 19]

Fig. 19: sistemi di campionamento per lo studio di ambienti marini

L'oceano antartico svolge un ruolo fondamentale anche per il ciclo del silicio (elemento necessario alla vita degli organismi marini, strettamente correlato con il carbonio) negli oceani; le acque superficiali antartiche possono, infatti, provvedere fino al 30% della produzione globale di silice di origine biologica e, più del 50% degli apporti globali di silicio da parte dei fiumi vengono intrappolati nei suoi sedimenti.

Con lo sviluppo di grandi programmi internazionali come il SO-JGOFS (Southern Ocean Joint Global Ocean Flux Study), le ricerche sui cicli biogeochimici del carbonio e della silice derivante da organismi viventi in Antartide hanno ricevuto grande impulso. Tra i più importanti contributi dei ricercatori italiani vanno citati il Progetto RossMIZE (Ross Sea Marginal Ice Zone Ecology) prima, e BIOSESO (BIOsiliceous Sedimentation in the Southern Ocean) poi, che hanno focalizzato l'attenzione nel settore Pacifico dell'oceano antartico. In particolare, tramite il progetto BIOSESO, il Consiglio Nazionale delle Ricerche (Istituto di Geologia Marina) ha fornito un importante contributo alla conoscenza della distribuzione e composizione del sedimento ed i suoi meccanismi di deposizione nell'area sud-occidentale del Mare di Ross, prima necessaria condizione per comprendere il ruolo svolto dai sedimenti dell'oceano antartico nei cicli globali del carbonio organico e della silice su scala globale.

Continua