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Capire le creature più piccole dell'oceano
La professoressa dell'istituto Penny Chisholm sta facendo luce sui complessi ecosistemi marini e sulla difficoltà di prevedere come risponderanno al riscaldamento globale. 22 dicembre 2015
Sallie (Penny) Chisholm, ecologista e biologa marina, è nota per aver scoperto un tipo di minuscolo batterio oceanico che produce fino al 10 percento di tutto l'ossigeno generato dalla fotosintesi sulla Terra ogni anno. Il suo lavoro è fondamentale per comprendere la complessità della vita marina e prevedere come il cambiamento climatico potrebbe alla fine perturbarla. Eppure fino all'età di 14 anni, quando la sua famiglia visitò la costa del Jersey, non aveva mai visto l'oceano, per non parlare delle sue più piccole creature fotosintetiche conosciute. Chisholm è cresciuta durante il Baby Boom nel remoto Michigan superiore e ha trascorso gran parte del suo tempo a sciare. La mia città natale non aveva abbastanza scuole, ricorda, quindi per la maggior parte delle scuole medie e superiori gli studenti frequentavano solo mezza giornata. E ogni volta che c'era neve, l'altra mezza giornata abbiamo sciato.
Il suo amore per la vita acquatica è iniziato sul Lago Superiore, dove nuotava d'estate. Era un posto idilliaco, dice. Quando si trasferì a est nel 1965 per frequentare lo Skidmore College, sviluppò un interesse più accademico per i laghi, scrivendo una tesi di laurea sulla loro chimica. E come studentessa laureata in ecologia presso la State University di New York ad Albany, ha studiato il fitoplancton d'acqua dolce, piccoli organismi fotosintetici che vivono nelle acque superficiali illuminate dal sole. Chisholm ha completato la sua tesi sull'assorbimento dei nutrienti di una specie d'acqua dolce chiamata Euglena . Eppure si è anche resa conto che quando si trattava di ecologia del fitoplancton, la vera azione era nell'oceano, in parte perché la Marina degli Stati Uniti stava investendo nelle scienze marine di base. Così nel 1974 ha accettato una borsa di studio post-dottorato presso la Scripps Institution of Oceanography in California, dove, dice, ho imparato tutto quello che so sull'oceano.
In alto: Il camper Melville salpa al largo di Rapa Nui per una spedizione nel Pacifico meridionale per studiare il proclorococco. Al centro: i ricercatori hanno estratto campioni di acqua di mare da diverse profondità mentre raccolgono dati sulla temperatura e sulla fluorescenza cellulare durante una crociera di ricerca dal Regno Unito al Cile nel 2003 come parte di uno studio, progettato dall'allora postdoc Zackary Johnson, sui cambiamenti nella struttura e nella diversità della popolazione di Prochlorococcus a diverse latitudini. In basso: nel 1996, Chisholm (al centro), colleghi (tra cui Rob Olson all'estrema destra e John Waterbury dietro di lui) e studenti hanno navigato nel Mar dei Sargassi a bordo della RV Oceanus per studiare il proclorococco.
Quando le fu offerto un posto al MIT, nel 1976, nel Dipartimento di Ingegneria Civile, non c'erano biologi nel dipartimento, dice, e non aveva idea di cosa aspettarsi. Ma è arrivata ad apprezzare il mix interdisciplinare di ricercatori interessati alla fisica, alla chimica e alla biologia del nostro ambiente. Ha anche sviluppato stretti rapporti con esperti marini attraverso il MIT/Woods Hole Joint Program in Oceanography and Oceanographic Engineering, imbarcandosi in crociere di ricerca nei Caraibi e nel Mar dei Sargassi. Le fotografie nel suo ufficio, molte delle quali la mostrano sana, agitata dal vento e sorridente sui ponti delle navi, danno uno sguardo a questi primi giorni della sua ricerca.
Chisholm è meglio conosciuta per la scoperta da parte del suo gruppo, negli anni '80, di microbi chiamati Proclorococco , il più piccolo batterio fotosintetico conosciuto nell'oceano a meno di un micrometro di larghezza. Sono anche i più abbondanti: in un millilitro di acqua di mare possono essercene più di 100.000. E poiché consumano anidride carbonica e rilasciano ossigeno durante la fotosintesi, Proclorococco dare un contributo essenziale all'equilibrio di questi gas sulla Terra.
Simon Levin, biologo di Princeton, descrive gli articoli di Chisholm su questi microbi come dei classici della scienza. Lei e il suo gruppo sono stati in prima linea nella comprensione di come funzionano gli ecosistemi oceanici, dice, e le loro scoperte sono cruciali per capire come gli oceani risponderanno ai cambiamenti climatici.
La stessa Chisholm sottolinea che senza microbi produttori di ossigeno come Proclorococco , gli esseri umani probabilmente non esisterebbero. Se qualche antico microorganismo marino non avesse acquisito una mutazione chiave circa 3,5 miliardi di anni fa che gli permettesse di dividere l'acqua per produrre ossigeno, ha scritto, l'evoluzione della vita sulla Terra avrebbe preso una traiettoria completamente diversa.
È straordinario, quindi, che gli scienziati abbiano avuto un quadro così incompleto di queste creature per così tanto tempo. Per anni hanno creduto che gli unici organismi unicellulari che effettuano la fotosintesi negli oceani fossero gli eucarioti come le alghe, che sono cellule relativamente complesse contenenti un nucleo, mitocondri e cloroplasti. La grande scoperta, dice Chisholm, è avvenuta alla fine degli anni '70, quando John Waterbury e colleghi del Woods Hole Oceanographic Institution hanno identificato per la prima volta batteri fotosintetici chiamati Sinecococco , che sono diffusi nell'oceano. Gli scienziati sono rimasti sorpresi dal fatto che questi semplici procarioti, organismi unicellulari che non contengono un nucleo, mitocondri o cloroplasti, fossero capaci di fotosintesi.
Un decennio dopo, Chisholm e il suo team si sono trasferiti Proclorococco , cugini stretti di Sinecococco che si sono rivelati più piccoli e più numerosi. Uno dei suoi ex dottorandi, Robert Olson, aveva escogitato un modo per far funzionare un citometro a flusso, una macchina sensibile per la selezione delle cellule allora utilizzata principalmente in medicina, a bordo di una nave da ricerca in mare. (Come post-dottorato, ne aveva creato uno nel suo laboratorio.) A metà degli anni '80, diversi membri del suo gruppo stavano usando un citometro a flusso per studiare campioni di acqua di mare nel Nord Atlantico. Olson, che stava ancora collaborando con Chisholm, notò minuscole particelle che emettevano una luce rossa fluorescente, suggerendo che contenevano clorofilla ma non avevano i pigmenti accessori che si trovano in Sinecococco , che li fanno diventare fluorescenti in arancione. All'inizio pensavano che la luce rossa captata dai loro strumenti potesse semplicemente rappresentare il rumore elettronico dello strumento e lo sfondo di minuscole particelle non viventi. Non ci siamo resi conto subito che sarebbe stato un grosso problema, dice Chisholm.
Ma presto ha deciso di fare Proclorococco un fulcro della sua ricerca. La squadra carta l'introduzione delle sue scoperte su questi batteri appena scoperti è apparso in Natura nel 1988.
Dopo che uno dei suoi studenti laureati è riuscito a isolare il primo Proclorococco dal Mar dei Sargassi, Chisholm e il suo gruppo hanno pubblicato a descrizione dettagliata dei batteri nel 1992, evidenziandone la struttura cellulare e la pigmentazione. Hanno anche sequenziato una parte del DNA dei batteri, usando le laboriose tecniche del giorno, per valutarlo Proclorococco rapporto di s con altri organismi fotosintetici.
Chisholm esamina uno dei tanti ceppi di Prochlorococcus archiviati nella collezione di colture del suo laboratorio.
Alla fine degli anni '90, Chisholm convinse il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che disponeva di alcune delle macchine di sequenziamento di prima generazione, a sequenziare il DNA di due Proclorococco genomi. Uno, che proveniva da cellule raccolte da un ambiente illuminato dal sole più vicino alla superficie, conteneva 1.716 geni; l'altro, da batteri capaci di sopravvivere in condizioni di luce fioca, più in basso nell'acqua, aveva 2.275 geni. Circa 1.350 di questi geni sono stati condivisi. In un articolo pubblicato in Natura nel 2003, Chisholm li ha descritti come includenti l'insieme minimo di istruzioni necessarie per la fotosintesi. Le differenze tra i genomi, nel frattempo, riflettevano ampiamente la versatilità dei batteri nell'adattarsi ad ambienti con diverse intensità luminose e diverse concentrazioni di azoto e metalli in tracce.
Chisholm ha ora sequenziato circa 50 ceppi di Proclorococco , che descrive come una federazione stabile e molto diversificata di organismi che tendono ad abitare nei 200 metri più alti dell'oceano. Circa 1.000 geni definiscono il nucleo di cosa significa appartenere a questa specie, dice, ma ogni nuova sequenza rivela da 80 a 200 geni completamente nuovi. Una visione tradizionale potrebbe suggerire che i vari ceppi siano bloccati in una lotta darwiniana per le risorse oceaniche, ma Chisholm adotta una prospettiva più ottimista: ceppi diversi aumentano e diminuiscono in abbondanza man mano che la disponibilità di nutrienti e altri aspetti dell'ambiente cambiano. L'ampia gamma di Proclorococco è, dice, parte di ciò che dà loro tale stabilità e consente loro, collettivamente, di svolgere un ruolo così centrale nell'oceano. Davvero, Proclorococco si stima che produca ogni anno cinque miliardi di tonnellate di biomassa vivente attraverso la fotosintesi, quasi quanto il suo cugino più grande Sinecococco . Questo carbonio viene mangiato da altri piccoli microorganismi, che a loro volta vengono mangiati dallo zooplancton, che a sua volta viene mangiato dai pesci, afferma Chisholm. In definitiva, Proclorococco nutre un decimo di tutte le creature del mare.
In alto: una versione precedente di questo moderno citometro a flusso è stata determinante nella scoperta del Prochlorococcus. In basso: le micrografie elettroniche a trasmissione mostrano un ceppo di Prochlorococcus isolato dal Mediterraneo da un ex studente laureato di Chisholm Lab. Ogni cella ha un diametro di circa 0,6 micrometri.
Concentrarsi sulla diversità delle specie è stata una parte essenziale del lavoro di Chisholm: ho sempre creduto, come ecologista, che le differenze tra cose molto simili abbiano molto da dirci sulle forze che modellano il nostro mondo, dice. E questo istinto si è rivelato preveggente nel caso di Proclorococco . Se ci fossimo limitati a studiare un solo ceppo invece di estrarre il mare per le varianti genetiche, dice, ci sbaglieremmo così tanto su cosa Proclorococco è come e come funzionano.
Il laboratorio di Chisholm al quarto piano del modesto edificio vecchio stile 48 ospita un'abbondanza di batteri. In una stanza, file di Proclorococco crescono in provette sotto quantità variabili di rete nera. Alcuni di loro possono crescere a intensità di luce che ucciderebbero gli altri, spiega sopra il ronzio dei fan. (Le ventole raffreddano i batteri e creano un forte vento che ricorda la riva del mare.) Altrove nel laboratorio, grandi contenitori che Chisholm chiama macchine solari simulano l'alba e il tramonto per i batteri, così si sentono come se fossero nell'oceano, lei dice. Non gli piace davvero quando le luci si spengono e si accendono all'improvviso.
Negli oceani, Proclorococco coesiste non solo con altri batteri ma anche con i virus che interagiscono con essi. Nel 2003, i ricercatori nel Regno Unito avevano scoperto che i virus infettano Proclorococco essi stessi portano geni per la fotosintesi. Nel 2004 e nel 2005, il gruppo di Chisholm ha mostrato che durante un'infezione, questi geni virali sono espressi nelle cellule batteriche mentre i geni delle cellule per la fotosintesi diventano meno attivi (per ragioni che non sono ancora chiare). Quando i virus si spostano da una cellula batterica all'altra, anche frammenti di DNA vengono trasportati. Ciò facilita l'evoluzione batterica e la accelera, poiché i geni si evolvono più velocemente nei virus.
La danza di virus e batteri include un altro attore misterioso: piccole vescicole, o sacche piene di liquido, che galleggiano nell'oceano. Nel 2014, il team di Chisholm lo ha scoperto Proclorococco rilascia goccioline lipidiche contenenti frammenti casuali di DNA, che prima chiamarono bleb. E mentre la funzione di queste vescicole non è nota, una possibilità è che agiscano come esche per i virus. Hanno alcuni degli stessi segni sulla superficie di Proclorococco , in modo che gli stessi virus possano attaccarsi. Ma poiché non sono cellule reali, i virus non possono replicarsi al loro interno e diffondersi, come farebbero altrimenti. In alternativa, poiché le vescicole contengono DNA, RNA e proteine, possono fungere da meccanismo per trasferire le informazioni chimiche da una cellula all'altra.
La ricerca di Chisholm le è valsa numerosi riconoscimenti, tra cui l'appartenenza alla National Academy of Sciences e un invito alla Casa Bianca dal presidente Obama, che le ha conferito la National Medal of Science. Al MIT, ha vinto il Premio Killian nel 2014 ed è stato nominato Professore d'Istituto nel 2015, le due più alte onorificenze conferite ai docenti. Ma anche il patrocinio, il servizio pubblico e l'istruzione sono parti centrali del suo lavoro. Oltre a voler condividere ciò che ha imparato con i contribuenti che hanno finanziato la sua ricerca, Chisholm è spinta dalla frustrazione per il fatto che anche gli adulti istruiti sappiano relativamente poco di biologia e soprattutto di fotosintesi. Cita un video della fine degli anni '90 in cui si trovano i neolaureati del MIT e di Harvard porse un seme e un ceppo e ha chiesto da dove viene la massa di un albero. Gli studenti sono scioccati nell'apprendere che la maggior parte proviene dall'anidride carbonica nell'aria. Il MIT non ha nemmeno un corso dedicato interamente alla biologia vegetale, dice.
Il desiderio di Chisholm di insegnare alle persone le basi l'ha portata a tenere conferenze e a scrivere libri per bambini (sebbene lei e suo marito non abbiano figli). Lei e l'autrice e illustratrice di libri per bambini Molly Bang, un'amica di lunga data, hanno collaborato a un progetto pluriennale chiamato The Serie di luce solare , che cattura vividamente l'importanza dell'energia solare per la vita sulla Terra. Pensavo che la gente l'avrebbe letto ai propri figli, dice. E in questo modo potrei effettivamente raggiungere gli adulti. La serie non lesina sui dettagli scientifici. Né evita l'urgenza del cambiamento climatico; il libro più recente descrive le origini dei combustibili fossili e spiega come bruciarli troppo velocemente stia probabilmente causando il riscaldamento globale. L'obiettivo, tuttavia, non è suonare allarmi, ma aiutare le persone a capire come funziona il pianeta, afferma Chisholm.
Il presidente Obama ha consegnato a Chisholm la National Medal of Science 2011 in una cerimonia alla Casa Bianca nel 2013.
Nonostante la sua stessa preoccupazione per il riscaldamento globale, la ricerca di Chisholm le ha instillato un profondo senso di cautela riguardo alle azioni che potrebbero causare un cambiamento ecologico radicale. L'ha resa particolarmente scettica sugli sforzi umani per alterare la vita oceanica per estrarre l'anidride carbonica dall'aria. Nel 2014 ha pubblicato un saggio in Scienza avvertendo delle potenziali conseguenze indesiderate della concimazione dell'oceano con il ferro per cercare di mitigare il cambiamento climatico stimolando la crescita di organismi fotosintetici. In effetti, Chisholm teme che le dinamiche di sistemi ecologici complessi siano quasi impossibili da prevedere. La scoperta di Proclorococco 30 anni fa dovrebbero ricordarci quanto poco comprendiamo le complessità delle reti alimentari marine, ha scritto.
Gli ecosistemi microbici sono ciò che gestisce il pianeta, afferma Chisholm, sottolineando i loro ruoli cruciali nella catena alimentare marina e nella produzione di ossigeno. Lei e i suoi colleghi sperano che il loro lavoro consentirà ad altri di capire meglio come funziona la biosfera per sostenerci. Che sia dovuto ad attività umane come la combustione di combustibili fossili o alle proprietà intrinseche del sistema, che si è evoluto per 3,5 miliardi di anni, sappiamo che ci saranno cambiamenti nel modo in cui funziona questo sistema terrestre, dice. Solo se comprendiamo come funziona il sistema possiamo essere preparati ad affrontare questi cambiamenti.
Per capire come la vita sulla Terra potrebbe cambiare di fronte al cambiamento climatico, dice Levin, dobbiamo sapere chi sono gli attori chiave e cosa controlla le loro dinamiche. Il lavoro di Chisholm contribuisce direttamente a questa fondazione. Mentre gli oceani si riscaldano, i ricercatori stimano, Proclorococco Il numero di persone potrebbe aumentare fino al 30% entro la fine del secolo, con conseguenze sconosciute ma potenzialmente grandi per il resto della vita sul pianeta. Questi sono sistemi viventi complessi, auto-organizzati, dice Chisholm. So che le persone vogliono risposte semplici... ma non ce ne sono quando si tratta di questo capolavoro di perfezionamento evolutivo.