Come le diatomee (i “gioielli” dell’oceano) rivelano il passato e il futuro climatico
Le diatomee sono il gruppo più vario e più abbondante di piante microscopiche note come fitoplancton. Come spiega Chris Bowler(si apre in una nuova finestra) dell’istituto di ricerca IBENS(si apre in una nuova finestra), le diatomee, nonostante le dimensioni ridotte, sono responsabili di un quinto della fotosintesi del pianeta, pari a tutte le foreste pluviali tropicali della Terra. Le loro caratteristiche più evidenti sono una parete cellulare di vetro (silice) e una straordinaria gamma di forme e dimensioni, che le rendono simili a gioielli. Poiché le diverse specie si sono adattate a condizioni ambientali specifiche, rivelano molto sull’adattamento ai cambiamenti climatici. «Pur conoscendo la loro importanza per gli ecosistemi oceanici, non avevamo una panoramica adeguata della loro diversità e della loro abbondanza globale rispetto ad altri gruppi di fitoplancton», spiega Chris Bowler, coordinatore del progetto DIATOMIC, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra). Per tentare di creare questa panoramica, Bowler ha usato il set di dati Tara Ocean(si apre in una nuova finestra), derivato da una campagna di campionamento globale di quattro anni che lo studioso ha contribuito a coordinare. «Questo set di dati è diventato il punto di riferimento per la genomica oceanica. Ha consentito di produrre migliaia di pubblicazioni scientifiche ed è la prima risorsa di questo tipo che aiuta gli scienziati a indagare le distribuzioni del plancton e gli adattamenti evolutivi», osserva Bowler.
Nuovi metodi per estrarre il DNA di antichi sedimenti marini
La banca dati di Tara Ocean comprende 40 000 tipi di plancton campionati dalla superficie dell’oceano globale fino a 1 000 metri di profondità, a cui possono essere applicati metodi analitici normalizzati, tra cui il sequenziamento del DNA e la microscopia. DIATOMIC ha quindi voluto realizzare un censimento della diversità e dell’abbondanza di diatomee nell’oceano odierno, per indagare i cambiamenti passati nelle comunità di diatomee in risposta ai cambiamenti ambientali, come l’ultima era glaciale. «Stiamo cercando di cogliere l’evoluzione con le mani nel sacco», afferma Bowler. Il progetto si è concentrato su Chaetoceros, il genere di diatomee più abbondante e cosmopolita. Alcune specie rappresentano popolazioni antiche, perché producono spore che rimangono a riposo per lunghissimi periodi, le quali possono essere recuperate dai sedimenti marini per l’estrazione del DNA. I paleoindicatori ben consolidati, legati ai cambiamenti di temperatura, alla stagionalità, alla copertura dei ghiacci e alla produttività marina (fotosintesi), sono stati messi in relazione con cambiamenti quali spostamenti di popolazione e mutazioni di geni chiave. La ricerca ha posto particolare attenzione all’Artico e all’Antartico, che mostrano cambiamenti climatici nel tempo. Le carote di sedimenti della Penisola Antartica, relative a un arco temporale di 10 000 anni, hanno permesso di osservare cambiamenti importanti nella temperatura, nella copertura dei ghiacci e nella stagionalità, e hanno portato alla luce microfossili di diatomee ben conservati. L’estrazione del DNA antico ha permesso di abbinare i dati morfologici a quelli genetici, e di notare gli spostamenti di popolazione avvenuti in risposta ai cambiamenti ambientali. Come spiega Bowler, le informazioni genetiche hanno anche mostrato cambiamenti nei geni che codificano le proteine per gli adattamenti termici, oltre alla selezione di mutazioni benefiche particolari. Un’altra carota di sedimento proveniente dal Mare del Labrador, con informazioni risalenti al clima di 50 000 anni fa, ha evidenziato la presenza di cambiamenti genetici avvenuti durante l’ultimo massimo glaciale(si apre in una nuova finestra) e ancora prima durante gli eventi di Heinrich(si apre in una nuova finestra), quando enormi iceberg si formarono nell’Atlantico settentrionale.
Un’analisi importante dell’impatto dei cambiamenti climatici
Poiché l’oceano è un elemento centrale del sistema climatico del pianeta, i ricercatori devono capire quali saranno le ripercussioni dei cambiamenti climatici sugli ecosistemi marini e sulle loro funzioni planetarie. Le tecniche di DIATOMIC, che analizzano il DNA antico per identificare i cambiamenti avvenuti durante le perturbazioni del passato, offrono indizi preziosi in questo senso. «Nonostante il nostro lavoro riguardi principalmente gli ultimi 50 000 anni, un periodo relativamente recente, ci permette di quantificare meglio tali ripercussioni, perché studia un periodo in cui le attività umane non avevano ancora un grande impatto sul funzionamento del pianeta», spiega Bowler. Oggi il gruppo di ricerca, che è stato in grado di superare sfide complesse per recuperare DNA antico di due milioni di anni fa dalle diatomee e dall’ecosistema più ampio (un primato), sta perfezionando alcune tecniche per analizzare con più precisione il DNA di altre carote di sedimenti marini provenienti da ulteriori regioni oceaniche.