Risvegliati microrganismi che hanno "dormito" sul fondo del mare senza luce né ossigeno per 7.000 anni

Erano depositati sul fondo del Mar Baltico da circa 7.000 anni, senza luce né ossigeno. Ma ora questi microrganismi sono "tornati alla vita" grazie a un team di ricerca guidato dall'Istituto Leibniz per la Ricerca sul Mar Baltico di Warnemünde (IOW).

Lo studio, pubblicato su The ISME Journal, è stato condotto nell'ambito del progetto di ricerca collaborativo PHYTOARK, che mira a comprendere meglio il futuro del Mar Baltico attraverso indagini paleoecologiche sul suo passato.

Hanno vissuto in "sospensione" per millenni

Molti organismi, dai batteri ai mammiferi, possono entrare in una sorta di "modalità di sospensione", nota come dormienza, per sopravvivere a condizioni ambientali sfavorevoli.

In questo stato, la loro attività metabolica si riduce e spesso formano stadi dormienti con strutture protettive robuste e riserve energetiche interne. Questo fenomeno si verifica anche nel fitoplancton, piante microscopiche che vivono nell'acqua e svolgono la fotosintesi. I loro stadi dormienti affondano sul fondo degli specchi d'acqua, dove vengono progressivamente ricoperti dai sedimenti e conservati in condizioni anossiche.

"Questi depositi sono come una capsula del tempo contenente informazioni preziose sugli ecosistemi passati, sulle comunità biologiche che li abitavano, sulla loro evoluzione e sulle variazioni genetiche," spiega Sarah Bolius, che guidava il team di ricerca.

L'esperta di fitoplancton dell'IOW è la prima autrice dello studio, che ha analizzato carote di sedimenti prelevate dal Mar Baltico alla ricerca di cellule dormienti di fitoplancton ancora vitali.

"Questo approccio prende il nome piuttosto insolito di 'ecologia della resurrezione': gli stadi dormienti, che possono essere assegnati con precisione a specifici periodi della storia del Mar Baltico grazie alla stratificazione chiara dei sedimenti, vengono riportati in vita in condizioni favorevoli, poi caratterizzati geneticamente e fisiologicamente e confrontati con le popolazioni attuali di fitoplancton," prosegue Bolius.

Analizzando anche altri componenti dei sedimenti, i cosiddetti proxy, sarà possibile trarre conclusioni sulle condizioni passate di salinità, ossigeno e temperatura.

"Combinando tutte queste informazioni, miriamo a comprendere meglio come e perché il fitoplancton del Mar Baltico si sia adattato geneticamente e funzionalmente ai cambiamenti ambientali," spiega la ricercatrice.

Geni antichi, funzioni stabili

Il team guidato da Bolius, che includeva esperti dell'IOW e ricercatori delle Università di Rostock e Costanza, ha esaminato carote di sedimenti prelevate a una profondità di 240 metri nel bacino orientale di Gotland durante una spedizione a bordo della nave da ricerca Elisabeth Mann Borgese nel 2021.

In condizioni favorevoli di nutrienti e luce, le alghe dormienti sono state risvegliate da nove campioni di sedimenti, e singoli ceppi sono stati isolati. I campioni provenivano da strati sedimentari rappresentativi di un arco temporale di circa 7.000 anni, coprendo quindi le principali fasi climatiche del Mar Baltico.

La specie di diatomee Skeletonema marinoi è stata l'unica specie di fitoplancton riattivata da tutti i campioni. Questa specie è molto comune nel Mar Baltico e compare tipicamente durante la fioritura primaverile. Il campione più antico contenente cellule vitali di questa specie è stato datato a 6.871 ± 140 anni fa.

"È straordinario che le alghe resuscitate non solo siano sopravvissute, ma abbiano mantenuto la loro 'forma fisica', ovvero la loro capacità biologica di crescita e fotosintesi, senza apparenti segni di degrado," sottolinea Bolius.

Questo vale persino per le cellule provenienti dallo strato sedimentario più antico, che hanno mostrato una crescita stabile in coltura con una media di circa 0,31 divisioni cellulari al giorno—un valore simile ai tassi di crescita delle attuali popolazioni di S. marinoi, spiega Bolius.

Anche le misurazioni delle prestazioni fotosintetiche hanno rivelato che persino le alghe più antiche erano ancora in grado di produrre ossigeno attivamente, con valori medi di 184 micromoli di ossigeno per milligrammo di clorofilla all'ora.

"Questi valori sono paragonabili a quelli degli attuali rappresentanti di questa specie," aggiunge Bolius.

I ricercatori hanno inoltre analizzato i profili genetici delle alghe resuscitate utilizzando l’analisi dei microsatelliti, un metodo che confronta brevi segmenti di DNA. Il risultato ha mostrato che i campioni provenienti da strati sedimentari di epoche diverse formavano gruppi genetici distinti.

In primo luogo, ciò ha escluso la possibilità di contaminazioni incrociate durante la coltivazione dei ceppi prelevati da strati sedimentari di età diverse. In secondo luogo, ha dimostrato che le popolazioni successive di S. marinoi nel Mar Baltico hanno subito cambiamenti genetici nel corso dei millenni.

Dormienza come strategia di sopravvivenza

Il fenomeno della sopravvivenza in stato di dormienza per lunghi periodi, con la possibilità di ricolonizzare gli habitat quando le condizioni diventano favorevoli, è noto anche in altri organismi, come semi di piante o piccoli crostacei, alcuni dei quali rimangono vitali per secoli o addirittura millenni.

Tuttavia, la riuscita resurrezione di uno stadio dormiente dopo un periodo così lungo, come nel caso di S. marinoi, è un evento raro. Con circa 7.000 anni, le minuscole cellule di questa diatomea sono tra gli organismi più antichi mai riportati in vita da uno stadio dormiente intatto. Ad oggi, non si conoscono casi più antichi provenienti da sedimenti acquatici.

"Il fatto di essere riusciti a riattivare con successo alghe così antiche dalla dormienza è un passo importante nello sviluppo dell'ecologia della resurrezione nel Mar Baltico. Ciò significa che ora è possibile condurre esperimenti di 'salto temporale' in laboratorio per esplorare diverse fasi dell’evoluzione del Mar Baltico," afferma Bolius.

I ceppi di alghe resuscitati verranno quindi ulteriormente studiati in condizioni diverse.

"Il nostro studio dimostra inoltre che possiamo tracciare direttamente i cambiamenti genetici attraverso millenni, analizzando cellule viventi invece che solo fossili o tracce di DNA," conclude Bolius.

Ulteriori analisi genetiche degli ceppi riattivati contribuiranno a comprendere meglio le cause di queste variazioni genetiche.