La chimica della biosfera profonda

Claudio Della Volpe

C’è qualcuno dei nostri lettori più anziani che non abbia letto Verne?

Probabilmente il numero dei lettori di Verne si riduce con l’età, nel senso che Verne è stato sostituito da altri scrittori, casomai di fantascienza; ma sono sicuro che fra le persone di 50-70 anni che leggono queste pagine molti abbiano letto “Viaggio al centro della Terra”; per me una lettura indimenticabile che fu alla base, ancor più di altri romanzi del grande francese, della meraviglia con cui guardo ancora oggi la Natura.

L’idea che le grandi profondità del nostro pianeta ospitino la vita in forme che a stento immaginiamo è tornata ripetutamente nella nostra cultura a partire dall’Ade, dall’inferno cristiano, dal grande viaggio di Dante e poi dai ripetuti sogni esplorativi della grande novellistica ottocentesca.

Tuttavia la esplorazione concreta del sottosuolo e delle grandi profondità marine, spinte dalla sete di energia e risorse minerarie, se hanno fatto giustizia delle ingenue visioni di Verne, hanno fondato con grande base sperimentale un’altra visione del sottosuolo che oggi viene indicata col termine di biosfera profonda, deep biosphere.

Secondo Wikipedia:

Le prime indicazioni di vita profonda provenivano dagli studi sui giacimenti petroliferi negli anni '20, ma non era certo che gli organismi fossero autoctoni fino a quando negli anni '80 non furono sviluppati metodi per prevenire la contaminazione dalla superficie. I campioni vengono ora raccolti in miniere profonde e programmi di perforazione scientifica nell'oceano e sulla terraferma. Sono stati istituiti osservatori profondi per studi più ampi.

Vicino alla superficie, gli organismi viventi consumano materia organica e respirano ossigeno. Più in basso, questi non sono disponibili, quindi fanno uso di "edibles" (donatori di elettroni) come l'idrogeno (rilasciato dalle rocce da vari processi chimici), il metano (CH4), i composti solforati ridotti e l'ammonio (NH4). Essi "respirano" accettori di elettroni come nitrati e nitriti, manganese e ossidi di ferro, composti di zolfo ossidati e anidride carbonica (CO2). C'è pochissima energia a profondità maggiori, quindi il metabolismo è fino a un milione di volte più lento che in superficie. Le cellule possono vivere per migliaia di anni prima di dividersi e non vi è alcun limite noto alla loro età.

Il sottosuolo rappresenta circa il 90% della biomassa in due domini della vita, Archea e Bacteria, e il 15% del totale per la biosfera. Si trovano anche Eukarya, inclusi alcuni funghi vitali multicellulari e animali (nematodi, vermi piatti, rotiferi, anellidi e artropodi). Sono presenti anche virus che infettano i microbi.

Il nuovo mito è stato fondato dal libro di Thomas Gold di cui riporto qui sopra la copertina; in quel libro, pubblicato nel 1999 e preceduto da un articolo dello stesso titolo su PNAS l’autore sosteneva dei punti di vista altamente innovativi e che non si rivelarono tutti corretti, ma che sono stati molto stimolanti per la ricerca della vita nell’Universo:

Gold suggeriva che la vita microbica era probabilmente diffusa in tutto il sottosuolo terrestre, risiedendo negli spazi dei pori tra i grani nelle rocce. Inoltre, ipotizzava che questa vita probabilmente esisteva a una profondità di più chilometri, fino a quando la temperatura elevata non diventasse il fattore vincolante. Gold ipotizzò che la vita nelle aree sotterranee fosse supportata da fonti chimiche di energia, piuttosto che da fonti fotosintetiche, da cui in definitiva dipende la vita in superficie. I nutrienti che supportavano questa vita nel sottosuolo erano forniti, secondo l’autore, sia dalla migrazione di fluidi dalle profondità della crosta terrestre sia dalla roccia ospite stessa, che contiene minerali sia ossidati che ridotti. Sebbene sia probabile che sia tutto microbico, Gold ipotizzò che la massa della vita sotto la superficie in questa biosfera poco conosciuta fosse paragonabile a quella presente negli ambienti di superficie. 

Gold pensava che se c'è vita in profondità, le rocce che contengono o possono produrre  “idrogeno (H2), metano (CH4) e altri fluidi. . . sembrerebbero i luoghi più favorevoli per la prima generazione di sistemi autoreplicanti”, profondamente consapevoli che “tale vita può essere ampiamente disseminata nell'universo” . Inoltre, Gold ipotizzò che gli idrocarburi e i loro prodotti derivati ​​alimentano la vita chemiosintetica del sottosuolo e che questi idrocarburi non sono la biologia rielaborata dalla geologia, ma, piuttosto, la geologia rielaborata dalla biologia.

Questi commenti sono tratti da un articolo commemorativo comparso sempre su PNAS nel 2017 di Colman e altri .

L’idea più controversa e che si è poi dimostrata falsa di Gold era l’origine endogena del metano e dei fossili che oggi sappiamo con sicurezza originati invece dalla degradazione di materiali provenienti dalla biosfera superficiale. Tuttavia molte altre idee si sono dimostrate sperimentalmente concrete.

PNAS | July 3, 2017 | vol. 114 | no. 27 | 6895–6903

In particolare una biosfera profonda costituita da una vita essenzialmente microbica, ma non solo, si estende

al di sotto dei nostri piedi e arriva a profondità variabili in dipendenza della temperatura interna della crosta, fermandosi ragionevolmente attorno ai 150°C che significa però decine di chilometri.

A causa della elevata pressione l’acqua rimane liquida e questo giustifica, ma complica, la possibilità di mantenimento della vita; in laboratorio la massima temperatura per la sopravvivenza di batteri è stata misurata in 122°C a circa 400 atmosfere (Takai, Ken (2019). “Limits of Terrestrial Life and Biosphere”. Astrobiology. pp. 323–344. doi:10.1007/978-981-13-3639-3_20. ISBN 978-981-13-3638-6.) Questa situazione esemplifica un nuovo tipo di organismi, i batteri “piezofili” che non sopravvivono sotto le 50 atmosfere.

La temperatura elevata accelera ogni tipo di reazione ed obbliga alla costruzione di enzimi specifici che resistano alle nuove condizioni di impiego.

Noi siamo abituati ad una vita che respira un’ossidante il quale a sua volta ossida dei riducenti essenzialmente organici; dunque i riducenti sono il cibo di specie che respirano ossigeno; tuttavia questo non è possibile nel sottosuolo, dove i batteri possono si usare come riducenti specie organiche, casomai provenienti dalla biosfera superiore ma possono usare anche metano oppure idrogeno che viene generato da parecchie reazioni di tipo geologico, ma devono usare come ossidanti “respirabili” altre specie chimiche: nitrati e nitriti per esempio oppure manganese, ossidi di ferro, composti di zolfo ossidati e anidride carbonica (CO₂).

Le condizioni specifiche e la bassa concentrazione dei materiali edibili (riducenti) o respirabili (ossidanti) implicano una vita che si accontenta di quel che trova e dunque molto meno intensa e veloce che in superficie.

Tuttavia si stima che la biosfera profonda sia una frazione significativa di quella totale specie per i batteri tipo Archea.

La cosa da notare è che stiamo parlando di processi che potrebbero svilupparsi in molte condizioni comuni in ambito astronomico: per esempio sotto strati di roccia all’interno di pianeti, satelliti, comete, dunque in condizioni molto lontane da quelle che associamo tipicamente alla vita; questo fa pensare che un simile tipo di sviluppo possa essere molto più comune di quanto immaginiamo e che la vita sia in qualche modo il portato “spontaneo” delle condizioni geologiche prevalenti in buona parte dell’universo.

Questa nuova idea si presenta come sconvolgente per molti scienziati, ma è basata su una vasta mole di osservazioni sperimentali. E’ relativamente probabile che nella nostra esplorazione del sistema solare la vita basata su queste condizioni e su analoghi processi possa essere scoperta nei prossimi anni “dentro” i corpi del sistema solare.

Una ultima nota riguarda il fatto che teorie di questa natura sono state sviluppate nell’ambito della cultura russa ben prima che in quella occidentale, ma che per meri motivi politici questa origine è stata messa quasi sempre ai margini; in Italia esiste per fortuna un gancio nei confronti di quella cultura che è il gruppo di epistemologia fondato a Milano da Ludovico Geymonat che ancora è presente sulla breccia tramite l’attività di Silvano Tagliagambe a cui dobbiamo una recentissima traduzione del fondatore del pensiero scientifico sulla natura “geologica” della vita, sulla sua origine “naturale” dall’ambito geologico, e cioè V. I. Vernadskij, che sviluppò ed articolò l’idea di biosfera (fondata da Suess qualche anno prima) e l’idea della noosfera, quanto di più simile all’attuale concetto di antropocene a cui dobbiamo il sottotitolo del nostro blog.

la Terra e la vita che la abitano costituisc(o)no un solo sistema, che ha la capacità di autoregolarsi in modo da mantenere al suo interno le condizioni adatte alla sopravvivenza degli organismi viventi mediante un processo attivo, sostenuto dall’energia fornita dalla luce solare. Lo studio di questo grande sistema non può, ovviamente, essere condotto in modo frammentario e parziale, rispettando i tradizionali confini tra le singole competenze disciplinari. Esso esige un approccio del tutto nuovo e diverso, che frantumi e attraversi ogni barriera divisoria tra campi differenti e proponga un’indagine che abbia attenzione primaria per i problemi teorici da affrontare e risolvere, e non per le suddivisioni del sapere scientifico che sono, tra l’altro, “un fatto formale, esterno e superficiale.

V.I. Vernadskij, Filosofskie mysli naturalista, cit., p. 389 cit da Silvano Tagliagambe, p.36 in Dalla biosfera alla noosfera. Pensieri filosofici di un naturalista di Vladimir I. Vernadskij, Mimesis 2022. A cura di Silvano Tagliagambe

a cura di Silvano Tagliagambe

Attenzione perché la noosfera non ha necessariamente i caratteri negativi dell’antropocene o peggio del capitalocene, ma al contrario implica che l’interazione fra materia vivente e materia inanimata sia del tutto naturale, faccia parte della spontaneità della Natura e possa essere completamente positiva; tutto dipende da cosa facciamo noi. E questo, ammetterete, è un bel suggerimento.