Mondo della scienza | L'innevamento degli ecosistemi

Energia, carbonio e sopravvivenza in condizioni estreme

In generale, ci sono tre componenti essenziali per ogni forma di vita conosciuta: una fonte di energia (nota anche come donatore di elettroni), un accettore di elettroni (cioè una molecola che accetta elettroni) e una fonte di carbonio (materiale da costruzione per tutte le strutture importanti di un organismo) (Pascal 2012).

Nell'uomo, l'energia e il carbonio provengono principalmente dal glucosio, mentre l'ossigeno funge da accettore di elettroni. Tuttavia, esistono molte altre molecole che possono svolgere queste funzioni. Finché in un luogo ci sono composti chimici che soddisfano il rispettivo scopo e le condizioni fisiche permettono la stabilità delle biomolecole, si può presumere che la vita abbia conquistato questi luoghi sulla Terra.

Gli archei (organismi che assomigliano a batteri) Geogemma barossii, ad esempio, vivono in una sorgente idrotermale nel Pacifico. L'alta pressione che vi regna fa sì che l'acqua rimanga liquida anche a temperature di circa 120°C. Ad oggi, la temperatura più alta a cui possono crescere forme di vita è stata misurata in queste condizioni (Clarke 2014).

In determinate condizioni, gli organismi possono prosperare anche a temperature inferiori allo zero. Il batterio Planococcus halocryophilus Or1 è stato isolato da piccole inclusioni di acqua liquida in un campione di ghiaccio marino. L'elevato contenuto di sale nel liquido impedisce il congelamento e consente quindi la crescita a temperature estremamente basse. La temperatura minima di crescita dimostrata fino ad oggi è di -10°C. I test di laboratorio hanno raggiunto anche i -15 °C (Pascal 2012, Maccario et al. 2015, Merino et al. 2019).

Adattamenti degli organismi al manto nevoso come habitat

Tuttavia, questo articolo riguarda gli organismi che hanno trovato nel manto nevoso la loro nicchia ecologica e possono contribuire a plasmare la sua composizione.

Rispetto alle sorgenti calde o alle bolle d'acqua salata, il manto nevoso è un habitat piuttosto temperato. Tuttavia, questo habitat presenta alcune caratteristiche che richiedono particolari cambiamenti molecolari negli organismi psicrofili (amanti del freddo).

In primo luogo, la luce viene riflessa e dispersa nella neve. Il risultato è un aumento della radiazione UV, che può causare danni al DNA. Un classico meccanismo di protezione è la produzione di pigmenti come l'astaxantina. Questa molecola agisce come uno scudo che assorbe i raggi UV: protegge le strutture cellulari filtrando le lunghezze d'onda dannose e riducendo così la penetrazione delle radiazioni UV negli organelli sensibili come i cloroplasti, sede della fotosintesi. L'astaxantina è prodotta, tra gli altri, dall'alga delle nevi Chlamydomonas nivalis ed è responsabile dell'intensa colorazione rossa che crea il cosiddetto effetto "neve rossa" (Fig. 3). Le particolari proprietà di questa molecola la rendono anche un utile componente delle creme solari (Remias et al. 2005).

Le basse temperature rappresentano anche una sfida importante. L'acqua è essenziale per i processi vitali di tutti gli organismi; tuttavia, se è solida e quindi meno mobile, è meno disponibile per gli scopi biologici. Inoltre, la formazione di cristalli di ghiaccio può causare danni fisici agli organismi, in quanto gli organismi unicellulari possono essere distrutti dai cristalli. Per proteggersi da questo fenomeno, la composizione degli acidi grassi della membrana cellulare viene modificata per renderla più dinamica e flessibile. Esistono anche proteine che impediscono la formazione di grandi cristalli di ghiaccio nelle immediate vicinanze della cellula.

Le cosiddette proteine antigelo si legano alla superficie dei cristalli di ghiaccio in via di sviluppo e, grazie alla loro particolare forma, creano una curva concava che inibisce la crescita di grandi cristalli di ghiaccio. Queste proteine sono prodotte da molte piante, funghi, alghe e animali (Arrigo 2014, Maccario et al. 2015) e sono utilizzate nell'industria alimentare, ad esempio per preservare la struttura di verdure o carni congelate o nella produzione di antigelo.

Le proteine nucleanti del ghiaccio hanno l’effetto opposto. Sono solitamente prodotte da batteri, ad esempio da Pseudomonas syringae, e possono avviare la formazione di cristalli di ghiaccio a temperature fino a +2 °C, orientando le molecole d'acqua nel processo, con angolazioni adatte a favorire la formazione della struttura cristallina. Questo controlla la formazione dei cristalli di ghiaccio e ne riduce le dimensioni. Queste proteine sono utilizzate anche nell'industria, ad esempio nella produzione di gelati o di neve artificiale. Questi batteri vivono spesso in simbiosi con altri organismi, come le alghe della neve, proteggendo così le loro strutture (Roeters et al. 2021).

Cicli dei nutrienti e comunità microbiche nel manto nevoso

Come si può immaginare, anche i nutrienti importanti sono piuttosto scarsi nella neve. Sebbene i composti dell'azoto e del fosforo vengano trasportati dai periodi di scioglimento o estratti dall'atmosfera durante le precipitazioni, gli scambi tra la biomassa del suolo e il manto nevoso sono scarsi. Gli organismi hanno quindi dovuto trovare nuove fonti di nutrimento e utilizzarle in modo efficace. Il lievito Phenoliferia psychrophenolica, ad esempio, è un vero esperto nell'approvvigionamento efficiente di cibo.

È stato trovato nei campi di neve sanguigna di tutto il mondo e ricava la sua dose giornaliera di carbonio principalmente dai resti delle alghe della neve morte. Tra le altre cose, è in grado di decomporre i pigmenti rossi protettivi dai raggi UV ed è un importante anello del ciclo del carbonio tra l'atmosfera, il manto nevoso e il suolo. La sua impressionante capacità di scomporre la materia organica rende il fungo un candidato interessante per il biorisanamento, ossia la pulizia di aree inquinate con l'aiuto di microrganismi (Ezzedine et al. 2025, Maccario et al. 2015).

La vita sulla Terra è estremamente adattabile e quindi diffusa. Non sorprende quindi che anche il manto nevoso sia ricco di organismi che si sono specializzati nelle condizioni fisiche del luogo e che costituiscono un importante anello dei cicli geochimici globali. Infatti, gli studi dimostrano che in 1 ml di neve fresca si possono rilevare circa 10⁵ cellule batteriche, un numero paragonabile a quello presente in circa 1 mg di suolo nel clima dell'Europa centrale. Nel firn, il numero può anche essere significativamente più alto, a seconda della composizione.

Come e dove si trovino esattamente gli organismi all'interno del manto nevoso è piuttosto difficile da determinare. Si presume che vivano sia in cavità sia racchiusi nei cristalli di ghiaccio, circondati da un minuscolo film di acqua liquida (≈ 1 nm) (Fig. 4).

Bibliografia:

Arrigo, K. R. (2014). Ecosistemi del ghiaccio marino. Annual Review of Marine Science, 6(1), 439-467. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-010213-135103

Clarke, A. (2014). I limiti termici della vita sulla Terra. International Journal of Astrobiology, 13(2), 141-154. https://doi.org/10.1017/S1473550413000438

Ezzedine, J. A., et al. (2025). Capacità di pulizia dell'ecosistema della neve e del ghiaccio da parte del lievito pucciniomicotino Phenoliferia psychrophenolica. Communications Biology, 8(1), Articolo 1084. https://doi.org/10.1038/s42003-025-1084-x

Maccario, L., et al. (2015). Ecosistemi di neve e ghiaccio: non così estremi. Research in Microbiology, 166(10), 782-795. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2015.10.002

Merino, N., et al. (2019). Vivere agli estremi: estremofili e limiti della vita in un contesto planetario. Frontiers in Microbiology, 10, articolo 780. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00780

Mykytczuk, N. C. S., Wilhelm, R. C., & Whyte, L. G. (2012). Planococcus halocryophilus sp. nov., una specie estrema sub-zero del permafrost artico. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 62(Pt 8), 1937-1944. https://doi.org/10.1099/ijs.0.035097-0

Pascal, R. (2012). Vita, metabolismo ed energia. In Astrochimica e Astrobiologia (pp. 243-269). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-27585-4_10

Remias, D., Lütz-Meindl, U., & Leya, C. (2005). Fotosintesi, pigmenti e ultrastruttura dell'alga delle nevi alpine Chlamydomonas nivalis. European Journal of Phycology, 40(3), 259-268. https://doi.org/10.1080/09670260500202148

Roeters, S. J., et al. (2021). Le proteine nucleanti del ghiaccio sono attivate dalle basse temperature per controllare la struttura dell'acqua interfacciale. Nature Communications, 12(1), Articolo 1183. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21310-3