Some Like It Hot

A qualcuno piace caldo. La biodiversità segreta di Vulcano.

Agli occhi del turista che vi sbarca per la prima volta, il Porto di Vulcano può apparire un luogo decisamente inconsueto. L’immancabile corollario che lo perseguita nella maggior parte delle località balneari – fatto di cartelli che offrono gite in barca a prezzi sensazionali, parei e cappellini multicolori, paccottiglia cinese in bella mostra sugli scaffali delle boutique – convive qui con un insolente e ubiquo odore di uova marce, che aggredisce le narici e la gola fin dal momento dello sbarco. Anche la straordinaria concentrazione di architetture, realizzate in quello stile “mediterraneo” molto gettonato durante gli anni Settanta e che di norma costituisce un rassicurante indizio della globalizzazione turistica, risulta molto meno ordinaria – se non addirittura anomala – in uno spazio circoscritto dal mare e da due vulcani attivi.

Vulcanello, a Nord dell’abitato, è emerso poco più di duemila anni fa e ha dato eloquenti segni di attività fino al 1626, quando un’eruzione iniziata con una fase effusiva ha formato una piccola lingua di lava, per concludersi con esplosioni di tipo idromagmatico.

H. J. Johnston-Lavis, “The South Italian Volcanoes...", F. Furchheim, Naples, 1891.

H. J. Johnston-Lavis, “The South Italian Volcanoes…”, F. Furchheim, Naples, 1891.

A Sud si staglia invece la sagoma massiccia del Gran Cratere; poco dopo la mezzanotte del 3 agosto 1888, una densa colonna di vapore e ceneri è stata annunciata da un fortissimo boato, mentre grosse pietre (le cosiddette bombe a “crosta di pane”, il cui diametro poteva raggiungere 2-3 metri) venivano lanciate fino a un paio di chilometri di distanza. Ignare di quanto stava per accadere, quella notte le maestranze dell’opificio dove si lavoravano lo zolfo, l’allume e gli altri prodotti estratti nella solfatara dormivano a poche centinaia di metri dal cratere. Un masso si abbatté sul capannone, sfondandone la volta; fortunatamente non vi furono vittime. Gli occupanti cercarono scampo in alcune grotte vicine al porto, mentre tutt’attorno seguitavano a schiantarsi bombe incandescenti. Le travi del tetto della fabbrica e lo zolfo stipato nei magazzini si incendiarono, e anche l’abitazione del direttore, un po’ più distante dalla Fossa, venne colpita da massi proiettati alla sconcertante velocità di 200 metri al secondo. L’indomani, i duecento abitanti dell’isola furono trasferiti a Lipari.

H. J. Johnston-Lavis, “The South Italian Volcanoes...", F. Furchheim, Naples, 1891.

H. J. Johnston-Lavis, “The South Italian Volcanoes…”, F. Furchheim, Naples, 1891.

Si potrebbe credere che l’idea di allestire un’industria a ridosso di un cratere debba essere stata frutto di gravi errori di valutazione, o che i suoi proprietari avessero pochi scrupoli; ma, a parte il fatto che costoro ricavavano il proprio profitto sfruttando manovalanza a basso costo (i “coatti”), non è esattamente così. Nel secolo precedente all’eruzione, La Fossa non aveva infatti manifestato particolari segni di attività, a parte una breve parentesi – tra il 1873 e il 1879 – durante la quale era stata registrata qualche esplosione di bassa intensità. Tutto lasciava presagire che il vulcano fosse ormai avviato verso una definitiva quiescenza.

L’evento del 1888, oltre a dissolvere rapidamente tale erronea convinzione, ha offerto interessanti spunti per gli studi vulcanologici che, in quegli anni. cominciavano ad affermarsi anche in Italia. All’eruzione, proseguita in maniera discontinua fino al marzo del 1890, hanno infatti potuto assistere direttamente numerosi geologi, che il governo aveva inviato sull’isola per comprendere meglio cosa stesse accadendo. Il meccanismo all’origine delle eruzioni “vulcaniane”, però, non è stato ancora del tutto chiarito; probabilmente dipende da interazioni violente tra il magma in risalita e il sistema idrotermale presente in prossimità della superficie – il cosiddetto effetto flashing – che si espande, immettendo acqua e fluidi acidi e provocando la frammentazione del magma.

Dopo il 1890 è iniziata una fase di intensa degassazione e la Fossa sembra essersi nuovamente calata nei panni di un vulcano apparentemente mansueto, ancorché maleodorante. Quest’ultimo inconveniente è causato dalla presenza di anidride solforosa e di acido solfidrico. Nei campi fumarolici a ridosso del cratere, dove la temperatura nei punti di emissione può variare da 250 a 650 °C, le frazioni di questi gas oscillano tra 0,1% e centinaia di millimoli per mole, insieme a pari quantità di metano, gas nobili, acido cloridrico, mentre la componente di anidride carbonica ammonta all’8% e quella di vapore acqueo al 90%. Il paesaggio è reso particolarmente suggestivo dai depositi di sublimati che lo zolfo e il cloruro di ammonio formano a contatto con l’aria; respirarne i suffumigi, però, non è consigliabile: poche decine di molecole di acido solfidrico su un milione possono causare danni oculari permanenti e la paralisi del nervo olfattivo.

DCF 1.0

A Nord del porto, le fumarole della baia di Levante presentano invece temperature più basse (intorno a 100 °C) e sono originate dall’interazione tra gas magmatici – qui arricchiti da tracce di azoto, idrogeno, monossido di carbonio, idrocarburi più pesanti del metano e composti eterociclici aromatici come il tiofene e il furano – e il sistema acquifero superficiale. Lungo la spiaggia ne affiorano parecchie, svelandosi con una timida ma implacabile effervescenza agli incauti bagnanti che si aggirano scalzi quando è ormai troppo tardi. Simili a inferni miniaturizzati, sembrano l’antitesi della vita: soltanto pochi giunchi dall’aspetto triste e segaligno si azzardano a crescere nelle loro adiacenze.

pozza con fumarole light

Eppure, questi ambienti rappresentano una straordinaria frontiera della biodiversità, ben più complessa – sebbene meno appariscente – di quella immersa nella celebre “pozza di fango” in attesa di presunti effetti terapeutici, che potrebbe rievocare l’immagine di un branco di ippopotami.

I campi fumarolici, al pari del deserto di Atacama nel Cile settentrionale, delle Dry Valley dell’Antartide, dei canali di scolo acidi delle miniere e persino dei reattori delle centrali nucleari, sono considerati ambienti “estremi”, preclusi alla maggior parte degli organismi viventi; quelli che li abitano, di conseguenza, vengono definiti “estremofili”, anche se appartengono a gruppi molto diversi tra loro e presentano una notevole variabilità negli adattamenti ai rispettivi habitat elettivi.

Tra questi, una particolare categoria – gli “ipertermofili” – comprende organismi che prosperano in presenza di temperature superiori a 80 °C. Per comprendere meglio tale loro straordinaria capacità, bisognerebbe pensare a un uovo sodo: una volta cotto, non ritornerà mai più allo stato originario, perché il calore intenso fluidifica le membrane a livello letale e trasforma la struttura delle proteine e degli acidi nucleici con un’irreversibile perdita delle caratteristiche fisiche e organiche. Il trucco degli ipertermofili sta invece nell’essere dotati di amminoacidi diversi da quelli degli organismi che vivono a temperature inferiori, e di poterne mantenere la piena funzionalità; inoltre, le loro membrane sono formate generalmente da uno strato termostabile di idrocarburi al posto dei fosfolipidi.

Gran parte degli ipertermofili appartiene agli archei (Archaea) che, insieme ai batteri (Bacteria), costituiscono il gruppo dei procarioti, organismi la cui unica cellula – a differenza degli eucarioti – è priva dell’involucro nucleare e il cui DNA è libero nel citoplasma. Gli archei rappresentano quanto di più simile al nostro antichissimo progenitore unicellulare esista oggi sulla Terra, e mantengono la stessa struttura da almeno tre miliardi di anni.

L'albero della vita

L’albero della vita.

Il primo archeo ipertermofilo è stato scoperto proprio a Vulcano negli anni Ottanta del XX secolo da Karl Stetter e dai suoi collaboratori dell’università di Regensburg; con un’evidente allusione alla sua inattesa presenza, i ricercatori hanno deciso di chiamarlo Pyrodictium occultum. Da allora, negli ambienti vulcanici terrestri e marini del pianeta è stata isolata una trentina di generi, un terzo dei quali presente nelle fumarole e nei pozzi geotermici dell’isola, che vanta pertanto una diversità priva di esempi comparabili a livello globale.

Pyrodictium occultum raggiunge lo sviluppo ottimale alla proibitiva temperatura di 105 °C, ma da questo punto di vista sembra un dilettante a confronto con il più celebre Pyrococcus furiosus – scoperto sempre da Stetter a Vulcano – che a 121 °C si riproduce per duplicazione in soli 37 minuti (un tempo da record per gli archei). Il nome, letteralmente “palla di fuoco furiosa”, è stato suggerito sia dall’eccezionale celerità delle prestazioni, sia dalla forma sferica della cellula; questa ha un diametro inferiore a due micrometri ed è ornata da numerosi flagelli apicali, una sorta di macchina propulsiva azionata dal flusso dei protoni che escono dal citoplasma.

La “palla di fuoco” ha conquistato una rapida fama grazie all’applicazione dei suoi processi metabolici e della termostabilità dei suoi enzimi nel settore delle biotecnologie: viene infatti impiegata in alcuni processi industriali, per la produzione di fonti energetiche non inquinanti e, soprattutto, nella PCR (Polymerase Chain Reaction), che amplifica esponenzialmente le sequenze di DNA consentendo di superare uno dei maggiori problemi della loro analisi, ossia la presenza di bersagli rari all’interno di genomi vasti e complessi. La PCR è oggi utilizzata con successo nel campo della medicina forense (in genere, permette di scoprire il colpevole!), della genetica molecolare, dell’archeologia e dell’analisi delle popolazioni.

I prodigi di questo archeo tuttavia non si fermano qui. Di recente è stata messa in luce l’esistenza di trasferimenti “orizzontali” del genoma, che avvengono quando una cellula trasferisce geni a un’altra cellula nonostante questa non sia una propria discendente. Forse si tratta di una risposta adattativa all’intrinseca instabilità degli ambienti elettivi della “palla di fuoco”, dove le condizioni chimico-fisiche possono cambiare in maniera anche repentina: in sostanza, se la faccenda si mette male, una parte dei propri geni viene messa in salvo rifilandola al vicinato. Ciò schiude affascinanti prospettive sulle relazioni evolutive all’interno degli archei, ma il suo significato e le sue implicazioni restano ancora da chiarire.

Lo studio dei meccanismi biologici ed ecologici che regolano l’esistenza di microrganismi “primitivi” fornisce infatti le chiavi essenziali per formulare ipotesi sulla diversificazione della vita sulla Terra, e anche sulle condizioni nelle quali questa può avere avuto origine: probabilmente stagni caldi costieri, o cavità bollenti ricche di solfuri, ambienti che – in entrambi i casi – chiamano direttamente in causa gli ipertermofili.

Ma sono soprattutto le eventuali applicazioni nella produzione di nuove molecole di interesse biologico a rendere i campi fumarolici di Vulcano e i loro microscopici abitatori un campo di indagine potenzialmente assai fecondo, almeno in termini economici.

Questi organismi tollerano generalmente basse concentrazioni di ossigeno e utilizzano le molecole inorganiche come fonte di energia, ossidando idrogeno o zolfo; un archeo isolato nei pozzi geotermici saturi di azoto con temperature di circa 80 °C, Palaeococcus helgesonii, svolge il proprio metabolismo addirittura in assoluta assenza di ossigeno. Zolfo e vari solfuri sono utilizzati invece come fonte di elettroni nei processi metabolici di Archaeoglobus fulgidus; in condizioni di stress, questo forma pellicole che sono risultate molto efficaci per la decontaminazione da metalli pesanti e che trovano largo uso nel settore delle biotecnologie.

L’eccezionale rappresentazione di procarioti negli ambienti vulcanici secondari dell’isola è comparabile alla straordinaria abbondanza di questi organismi, la cui densità è stata stimata in 10.000-100.000 cellule per millilitro nei fluidi, e addirittura in 100 milioni per centimetro cubo nei sedimenti delle sorgenti idrotermali. Ma esistono estremofili anche tra gli eucarioti, ossia quel gruppo di organismi le cui cellule sono dotate di un nucleo, al quale appartiene anche la nostra specie.

Nelle pareti esposte a Nord del piccolo promontorio che separa la spiaggia di Levante dal porto vive Galdieria sulphuraria, un autentico specialista della vita nelle fumarole appartenente all’ordine delle Cyanidiales, altrimenti note come “alghe rosse” unicellulari. Qui la temperatura media supera di poco i 20 °C, ma – come osservato in altre aree vulcaniche – potrebbe spingersi sino a più di 50 °C senza ostacolarne la sopravvivenza, mentre i valori del pH si aggirano intorno a 1. Ricoperte da concrezioni saline, le alghe vi formano straterelli compatti, la cui presenza contribuisce per il 90% alla biomassa complessiva; inoltre, possono crescere fino a qualche millimetro di profondità all’interno della roccia. Quando ciò accade, l’apporto della luce solare si riduce fino a rendere impossibile la fotosintesi e una parte delle cellule della colonia muore. I composti rilasciati dalle alghe morte rappresentano però un’allettante fonte di energia per le superstiti, che passano dal metabolismo autotrofico (quello delle piante) a quello eterotrofico (quello degli animali); con tale stratagemma, esse si garantiscono la possibilità di sopravvivere anche per lunghi periodi in condizioni altrimenti insostenibili.

Nel tentativo di comprendere l’origine di questi straordinari talenti metabolici, un gruppo di ricercatori capitanato da Gerald Schönknecht ha recentemente sequenziato il genoma di Galdieria sulphuraria; i risultati hanno rivelato che almeno il 5% dei geni che codificano proteine sembrano essere stati “assorbiti” attraverso trasferimenti genici orizzontali – gli stessi ricordati a proposito di Pyrococcus furiosus – da batteri e archei. In questo caso, però, il trasferimento coinvolgerebbe organismi estremamente semplificati, quali sono appunto i procarioti, e un’alga, che invece appartiene agli eucarioti. Come ciò sia possibile è un mistero della biologia, ma il quesito è certamente foriero di affascinanti prospettive.

Geni che migrano con disinvoltura, alghe cannibali, organismi che vivono in ambienti saturi di zolfo, azoto, metano, o addirittura in assenza di ossigeno, rappresentano soltanto una parte della straordinaria diversità dei microrganismi insediati che abitano le fumarole. Il sorprendente universo degli estremofili sembra tuttavia confinato alle forme più elementari e semplificate dei viventi, tagliando fuori quelle appena più complesse, anche se collocate pochi gradini più in alto nella lunga scala dell’evoluzione. “Well, nobody’s perfect!”, è la laconica conclusione di Osgood Fielding III.

A meno che, naturalmente, non si voglia considerare come tale anche l’uomo. In fondo, vivere a poche centinaia di metri da due vulcani attivi – uno dei quali peraltro annoverato tra quelli a maggior rischio su scala nazionale – rappresenta una sfida non meno eroica di quella dei pionieri unicellulari che trascorrono la propria esistenza negli ambienti “estremi”.

Pietro Lo Cascio

 

Letture suggerite (se proprio volete saperne di più):

Amend J.P., Rogers K.L., Shock E.L., Gurrieri S. & Inguaggiato S., 2003. Energetics of chemolithoautotrophy in the hydrothermal system of Vulcano Island, southern Italy. Geobiology 1: 37-58.

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Dellino P., De Astis G., La Volpe L., Mele D. & Sulpizio R., 2011. Quantitative hazard assessment of phreatomagmatic eruptions at Vulcano (Aeolian Islands, Southern Italy) as obtained by combining stratigraphy, event statistics and physical modelling. Journal of Volcanology & Geothermal Research 201: 364-384.

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Schönknecht G., Chen W.H., Temes C.N., Barbier G.G., Shrestha R.P., Stanke M., Bräutigam A., Baker B.J., Banfield J.F., Garavito R.M., Carr K., Wilkerson C., Rensing S.A., Gagneul D., Dickenson N.E., Oesterhelt C., Lercher M.J. & Weber A.P., 2013. Gene transfer from bacteria and archaea facilitated evolution of an extremophilic eukaryote. Science 339: 1207-1210.

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