Sfiato idrotermale

La vita è stata tradizionalmente vista come guidata dall’energia del sole, ma gli organismi di acque profonde non hanno accesso alla luce solare, quindi le comunità biologiche attorno alle bocche idrotermali devono dipendere dai nutrienti trovati nei depositi chimici polverosi e nei fluidi idrotermali in cui vivono. In precedenza, gli oceanografi bentonici presumevano che gli organismi di ventilazione dipendessero dalla neve marina, come lo sono gli organismi di acque profonde. Ciò li lascerebbe dipendenti dalla vita vegetale e quindi dal sole., Alcuni organismi di ventilazione idrotermale consumano questa “pioggia”, ma con solo un tale sistema, le forme di vita sarebbero scarse. Rispetto al fondale marino circostante, tuttavia, le zone di sfogo idrotermale hanno una densità di organismi da 10.000 a 100.000 volte maggiore.

Le bocche idrotermali sono riconosciute come un tipo di ecosistemi a base chemiosintetica (CBE) in cui la produttività primaria è alimentata da composti chimici come fonti di energia invece della luce (chemioautotrofia). Le comunità idrotermali dello sfiato possono sostenere tali grandi quantità di vita perché gli organismi dello sfiato dipendono dai batteri chemiosintetici per alimento., L’acqua della bocca idrotermale è ricca di minerali disciolti e supporta una grande popolazione di batteri chemioautotrofi. Questi batteri utilizzano composti di zolfo, in particolare l’idrogeno solforato, una sostanza chimica altamente tossica per gli organismi più noti, per produrre materiale organico attraverso il processo di chemiosintesi.,

Biologici communitiesEdit

L’ecosistema formato dipende l’esistenza del idrotermali campo come fonte primaria di energia, che si differenzia dalla maggior parte della superficie della vita sulla Terra, che si basa sull’energia solare., Tuttavia, anche se si dice spesso che queste comunità esistono indipendentemente dal sole, alcuni degli organismi sono in realtà dipendenti da ossigeno prodotto da organismi fotosintetici, mentre altri sono anaerobici.,

Il chemosynthetic batteri crescono in una spessa stuoia che attira gli altri organismi, come anfipodi e copepodi, che pascolano sui batteri direttamente., Organismi più grandi, come lumache, gamberetti, granchi, vermi tubiformi, pesci (in particolare anguilla, anguilla tagliagole, ophidiiforms e Symphurus thermophilus), e polpi (in particolare Vulcanoctopus hydrothermalis), formano una catena alimentare di relazioni predatore e preda sopra i consumatori primari. Le principali famiglie di organismi che si trovano intorno alle bocche del fondo marino sono anellidi, pogonophorans, gasteropodi e crostacei, con grandi bivalvi, vermi vestimentiferan e gamberetti “senza occhi” che costituiscono la maggior parte degli organismi non microbici.

Vermi tubulari siboglinidi, che possono crescere fino a oltre 2 m (6.,6 ft) alto nelle specie più grandi, spesso formano una parte importante della comunità intorno ad una bocca idrotermale. Non hanno bocca o tratto digestivo e, come i vermi parassiti, assorbono i nutrienti prodotti dai batteri nei loro tessuti. Circa 285 miliardi di batteri si trovano per oncia di tessuto tubeworm. Tubeworms hanno pennacchi rossi che contengono emoglobina. L’emoglobina si combina con l’idrogeno solforato e la trasferisce ai batteri che vivono all’interno del verme. In cambio, i batteri nutrono il verme con composti di carbonio., Due delle specie che abitano una bocca idrotermale sono Tevnia jerichonana e Riftia pachyptila. Una comunità scoperta, soprannominata “Città dell’anguilla”, è costituita prevalentemente dall’anguilla Dysommina rugosa. Sebbene le anguille non siano rare, gli invertebrati dominano tipicamente le bocche idrotermali. Eel City si trova vicino a Nafanua volcanic cone, Samoa americane.

Nel 1993, già più di 100 specie di gasteropodi erano note nelle bocche idrotermali. Oltre 300 nuove specie sono state scoperte nelle bocche idrotermali, molte delle quali “specie sorelle” di altre che si trovano in aree di sfiato geograficamente separate., È stato proposto che prima che la placca nordamericana superasse la dorsale medio-oceanica, ci fosse una singola regione di sfiato biogeografico trovata nel Pacifico orientale. La successiva barriera al viaggio ha iniziato la divergenza evolutiva delle specie in luoghi diversi. Gli esempi di evoluzione convergente visto tra distinte bocche idrotermali è visto come un supporto importante per la teoria della selezione naturale e di evoluzione nel suo complesso.

Sebbene la vita sia molto scarsa a queste profondità, i fumatori neri sono i centri di interi ecosistemi., La luce solare è inesistente, così molti organismi-come archaea ed estremofili-convertono il calore, il metano e i composti di zolfo forniti dai fumatori neri in energia attraverso un processo chiamato chemiosintesi. Forme di vita più complesse, come vongole e tubeworms, si nutrono di questi organismi. Gli organismi alla base della catena alimentare depositano anche minerali nella base del fumatore nero, completando così il ciclo di vita.

Una specie di batterio fototrofico è stata trovata vicino a un fumatore nero al largo della costa del Messico a una profondità di 2.500 m (8.200 ft)., Nessuna luce solare penetra così lontano nelle acque. Invece, i batteri, parte della famiglia delle Clorobiaceae, usano il debole bagliore del fumatore nero per la fotosintesi. Questo è il primo organismo scoperto in natura ad utilizzare esclusivamente una luce diversa dalla luce solare per la fotosintesi.

Nuove e insolite specie vengono costantemente scoperte nelle vicinanze dei fumatori neri., Il verme di Pompei Alvinella pompejana, che è in grado di resistere a temperature fino a 80 °C (176 °F), è stato trovato negli anni ‘ 80 e un gasteropode Chrysomallon squamiferum nel 2001 durante una spedizione nel campo idrotermale di Kairei dell’Oceano Indiano. Quest’ultimo utilizza solfuri di ferro (pirite e greigite) per la struttura dei suoi scleriti dermici (parti del corpo indurite), invece del carbonato di calcio. Si pensa che l’estrema pressione di 2500 m di acqua (circa 25 megapascal o 250 atmosfere) svolga un ruolo nella stabilizzazione del solfuro di ferro per scopi biologici., Questa armatura probabilmente serve come difesa contro la radula velenosa (denti) delle lumache predatrici in quella comunità.

A marzo 2017, i ricercatori hanno riportato prove di possibili forme di vita più antiche sulla Terra. I microrganismi fossilizzati putativi sono stati scoperti in precipitati idrotermali nella cintura Nuvvuagittuq del Quebec, in Canada, che potrebbero aver vissuto già 4.280 miliardi di anni fa, non molto tempo dopo che gli oceani si sono formati 4.4 miliardi di anni fa, e non molto tempo dopo la formazione della Terra 4.54 miliardi di anni fa.,

Simbiosi animale-battericaEdit

Gli ecosistemi di sfiato idrotermali hanno un’enorme biomassa e produttività; ma questo si basa sulle relazioni simbiotiche che si sono evolute alle sfiati. Gli ecosistemi idrotermali delle acque profonde differiscono dalle loro controparti idrotermali superficiali e terrestri a causa della simbiosi che si verifica tra gli ospiti macro invertebrati e i simbionti microbici chemioautotrofi nei primi. Poiché la luce solare non raggiunge le bocche idrotermali in acque profonde, gli organismi nelle bocche idrotermali in acque profonde non possono ottenere energia dal sole per eseguire la fotosintesi., Invece, la vita microbica che si trova nelle bocche idrotermali è chemiosintetica; fissano il carbonio usando energia da sostanze chimiche come il solfuro, al contrario dell’energia luminosa del sole. In altre parole, il simbionte converte le molecole inorganiche (H2S, CO2, O) in molecole organiche che l’ospite utilizza quindi come nutrimento. Tuttavia, il solfuro è una sostanza estremamente tossica per la maggior parte della vita sulla Terra. Per questo motivo, gli scienziati sono rimasti stupiti quando hanno trovato per la prima volta bocche idrotermali brulicanti di vita nel 1977., Ciò che è stato scoperto è stata la simbiosi onnipresente di chemioautotrofi che vivono in (endosimbiosi) branchie degli animali di sfiato; il motivo per cui la vita multicellulare è in grado di sopravvivere alla tossicità dei sistemi di sfiato. Gli scienziati stanno quindi ora studiando come i simbionti microbici aiutano nella disintossicazione del solfuro (consentendo quindi all’ospite di sopravvivere alle condizioni altrimenti tossiche). Il lavoro sulla funzione del microbioma mostra che i microbiomi associati all’ospite sono importanti anche nello sviluppo dell’ospite, nella nutrizione, nella difesa contro i predatori e nella disintossicazione., In cambio, l’ospite fornisce al simbionte le sostanze chimiche necessarie per la chemiosintesi, come carbonio, solfuro e ossigeno.

Nelle prime fasi dello studio della vita nelle bocche idrotermali, c’erano teorie diverse riguardo ai meccanismi attraverso i quali gli organismi multicellulari erano in grado di acquisire nutrienti da questi ambienti e come erano in grado di sopravvivere in condizioni così estreme. In 1977, è stato ipotizzato che i batteri chemioautotrophic alle prese d’aria idrotermali potrebbero essere responsabili di contribuire alla dieta della sospensione che alimenta i bivalvi.,

Infine, nel 1981, si è capito che l’acquisizione di nutrizione tubeworm gigante si è verificata a seguito di endosimbionti batterici chemioautotrofi. Mentre gli scienziati continuavano a studiare la vita alle bocche idrotermali, si capiva che le relazioni simbiotiche tra chemioautotrofi e specie di invertebrati macrofauna erano onnipresenti. Ad esempio, nel 1983, il tessuto branchiale delle vongole è stato confermato per contenere endosimbionti batterici; nel 1984 le cozze batimodiolide di sfiato e le vongole vescicomiidi sono state trovate anche per trasportare endosimbionti.,

Tuttavia, i meccanismi con cui gli organismi acquisiscono i loro simbionti differiscono, così come le relazioni metaboliche. Ad esempio, i tubeworms non hanno bocca e intestino, ma hanno un “trofosoma”, che è dove si occupano di nutrizione e dove si trovano i loro endosimbionti. Hanno anche un pennacchio rosso brillante, che usano per assorbire composti come O, H2S e CO2, che alimentano gli endosimbionti nel loro trofosoma., Sorprendentemente, l’emoglobina tubeworms (che per inciso è la ragione del colore rosso vivo del pennacchio) è in grado di trasportare ossigeno senza interferenze o inibizione dal solfuro, nonostante il fatto che l’ossigeno e il solfuro siano tipicamente molto reattivi. Nel 2005, è stato scoperto che questo è possibile a causa di ioni di zinco che legano l’idrogeno solforato nell’emoglobina dei tubeworms, impedendo quindi al solfuro di reagire con l’ossigeno. Riduce anche il tessuto dei tubeworms dall’esposizione al solfuro e fornisce ai batteri il solfuro per eseguire la chemioautotrofia., È stato anche scoperto che i tubeworms possono metabolizzare la CO2 in due modi diversi e possono alternarsi tra i due secondo necessità al variare delle condizioni ambientali.

Nel 1988, la ricerca ha confermato i batteri tiotrofici (solfuro-ossidanti) in Alvinochonca hessleri, un grande mollusco dello sfiato. Per aggirare la tossicità del solfuro, le cozze prima lo convertono in tiosolfato prima di trasportarlo ai simbionti. Nel caso di organismi mobili come i gamberetti alvinocaridi, devono tracciare ambienti ossici (ricchi di ossigeno) / anossici (poveri di ossigeno) mentre fluttuano nell’ambiente.,

Gli organismi che vivono ai margini dei campi di sfiato idrotermali, come le capesante pectinidi, portano anche endosimbionti nelle loro branchie e, di conseguenza, la loro densità batterica è bassa rispetto agli organismi che vivono più vicini allo sfiato. Tuttavia, la dipendenza della capesante dall’endosimbionte microbico per ottenere la loro nutrizione è quindi diminuita.

Inoltre, non tutti gli animali ospiti hanno endosimbionti; alcuni hanno episimbionti—simbionti che vivono sull’animale anziché all’interno dell’animale., I gamberetti trovati alle prese d’aria nella dorsale medio atlantica erano una volta pensati come un’eccezione alla necessità di simbiosi per la sopravvivenza dei macroinvertebrati alle prese d’aria. Che è cambiato nel 1988, quando sono stati scoperti a trasportare episymbionts. Da allora, altri organismi alle prese d’aria sono stati trovati per trasportare episymbionts pure, come Lepetodrilis fucensis.

Inoltre, mentre alcuni simbionti riducono i composti dello zolfo, altri sono noti come” metanotrofi ” e riducono i composti del carbonio, vale a dire il metano., Le cozze Bathmodiolid sono un esempio di un ospite che contiene endosimbionti metanotrofici; tuttavia, questi ultimi si verificano principalmente nelle infiltrazioni fredde rispetto alle prese d’aria idrotermali.

Mentre la chemiosintesi che si verifica nell’oceano profondo consente agli organismi di vivere senza luce solare nel senso immediato, tecnicamente si basano ancora sul sole per la sopravvivenza, poiché l’ossigeno nell’oceano è un sottoprodotto della fotosintesi., Tuttavia, se il sole dovesse improvvisamente scomparire e la fotosintesi cessasse di verificarsi sul nostro pianeta, la vita nelle bocche idrotermali del mare profondo potrebbe continuare per millenni (fino a quando l’ossigeno non si esaurisse).

Teoria dell’origine idrotermale della vitaEdit

La dinamica chimica e termica nelle bocchette idrotermali rende tali ambienti altamente adatti termodinamicamente per i processi di evoluzione chimica., Pertanto, il flusso di energia termica è un agente permanente e si ipotizza che abbia contribuito all’evoluzione del pianeta, inclusa la chimica prebiotica.

Günter Wächtershäuser propose la teoria del mondo ferro-zolfo e suggerì che la vita avrebbe potuto avere origine nelle bocche idrotermali. Wächtershäuser ha proposto che una prima forma di metabolismo precedesse la genetica. Per metabolismo intendeva un ciclo di reazioni chimiche che rilasciano energia in una forma che può essere sfruttata da altri processi.,

È stato proposto che la sintesi di aminoacidi possa essersi verificata in profondità nella crosta terrestre e che questi amminoacidi siano stati successivamente lanciati insieme ai fluidi idrotermali in acque più fredde, dove temperature più basse e la presenza di minerali argillosi avrebbero favorito la formazione di peptidi e protocelle. Questa è un’ipotesi interessante a causa dell’abbondanza di CH4 (metano) e NH3 (ammoniaca) presenti nelle regioni di sfiato idrotermale, una condizione che non è stata fornita dall’atmosfera primitiva della Terra., Una delle principali limitazioni a questa ipotesi è la mancanza di stabilità delle molecole organiche alle alte temperature, ma alcuni hanno suggerito che la vita avrebbe avuto origine al di fuori delle zone di massima temperatura. Ci sono numerose specie di estremofili e altri organismi che vivono immediatamente intorno alle bocche d’altura, suggerendo che questo è davvero uno scenario possibile.,

La ricerca sperimentale e la modellazione al computer indicano che le superfici delle particelle minerali all’interno delle bocche idrotermali hanno proprietà catalitiche simili agli enzimi e sono in grado di creare semplici molecole organiche, come il metanolo (CH3OH) e l’acido formico (HCO2H), dalla CO2 disciolta nell’acqua.

Si pensa che le prese d’aria idrotermali alcaline (fumatori bianchi) potrebbero essere più adatte alla vita emergente rispetto ai fumatori neri a causa delle loro condizioni di pH.,

The Deep Hot BiosphereEdit

All’inizio del suo articolo del 1992 The Deep Hot Biosphere, Thomas Gold si riferiva alle bocche oceaniche a sostegno della sua teoria secondo cui i livelli inferiori della terra sono ricchi di materiale biologico vivente che trova la sua strada verso la superficie. Ha ulteriormente ampliato le sue idee nel libro The Deep Hot Biosphere.,

Un articolo sulla produzione di idrocarburi abiogenici nel numero di febbraio 2008 della rivista Science ha utilizzato i dati degli esperimenti presso il campo idrotermale di Lost City per segnalare come la sintesi abiotica di idrocarburi a bassa massa molecolare da anidride carbonica derivata dal mantello possa verificarsi in presenza di rocce ultramafiche, acqua e moderate quantità di calore.