Quando i microrganismi marini morti affondano più lentamente, il clima ne risente
Le particelle organiche depositate sul fondale legano il CO₂ per lunghi periodi. Tuttavia, sostanze gelatinose naturali rallentano tale processo. Questi meccanismi su microscala consentono di migliorare le previsioni del clima.
Subacquee e subacquei conoscono il fenomeno chiamato neve marina: minuscole particelle di alghe morte e di altri microrganismi che scendono lentamente verso il fondale. Complessivamente, l’enorme flusso di particelle organiche deposita nelle profondità degli oceani oltre cinquanta gigatonnellate di carbonio ogni anno.
Questo processo svolge un ruolo cruciale per il clima, perché il carbonio legato alle particelle resta sul fondale marino per migliaia di anni, prima di ritornare nell'atmosfera sotto forma di CO2. È quindi essenziale comprendere cosa accade alle particelle nel loro percorso verso le profondità marine.
È ciò che sta studiando il gruppo di ricerca guidato da Roman Stocker, sostenuto dal Fondo nazionale svizzero (FNS). Il team dell’ETH si muove all’incrocio di discipline come la microbiologia, la fisica, la matematica, la microfluidica e l’oceanografia. In uno studio di recente pubblicazione, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a dimostrare che i biogel naturali riducono in modo significativo la velocità di caduta.
Più è veloce, minori sono le emissioni di CO2
«La velocità con cui le particelle affondano determina la quantità di carbonio immagazzinato nel mare», spiega Stocker. Questo perché, mentre cade lentamente verso il basso, la neve marina serve da fonte di nutrimento per i batteri. Tutto il carbonio metabolizzato in questo processo torna rapidamente nell'atmosfera sotto forma di CO2. Secondo i calcoli attuali, solo circa l'uno per cento della biomassa che affonda raggiunge effettivamente le profondità degli oceani.
Finora, gli scienziati presumevano che la neve marina cadesse a una velocità compresa tra dieci e cento metri al giorno. Il team di Stocker ha ora scoperto che le particelle si muovono in parte a una velocità ancora inferiore.
Responsabili di questo fenomeno sono i biogel, sostanze trasparenti e gelatinose prodotte da batteri, alghe e altri organismi. Talvolta, vengono usati per difendersi dai predatori o per catturare prede. In alcune aree dell’oceano enormi quantità di biogel galleggiano nell’acqua. Uno studio condotto nell'oceano Atlantico, vicino alle Bermuda, ad esempio, ha rilevato fino a due miliardi di frammenti di biogel per litro d’acqua di mare. Il team di Stocker ha ipotizzato che i biogel, a causa della loro struttura, si attacchino alle particelle organiche riducendone la velocità di caduta.
Seguire la caduta di una particella per più giorni
Il movimento di una singola particella in mare aperto non può essere tracciato per più giorni. Per questo motivo, il post-dottorando Uria Alcolombri, ora professore presso l'Università Ebraica di Gerusalemme, ha sviluppato una speciale apparecchiatura di laboratorio. Si tratta di una colonna di vetro alta venti centimetri riempita di acqua di mare, al cui centro galleggia una singola particella.
Un flusso d'acqua contrario all’interno della colonna compensa la caduta della particella, mantenendola pertanto sempre nella stessa posizione. La velocità della controcorrente corrisponde quindi alla velocità di caduta. In questo modo, i ricercatori hanno simulato la traiettoria di una singola particella durante più giorni, sia con biogel sia senza. Le particelle consistevano in frammenti aggregati di guscio di diatomee. Il biogel è stato prodotto direttamente dal team, utilizzando un batterio marino.
«Come previsto, la sostanza gelatinosa ha ridotto la velocità di affondamento, ma in realtà molto più di quanto ci aspettassimo. In presenza di biogel, le particelle sono cadute a una velocità inferiore di quasi il 50%. «Noi stessi siamo rimasti sorpresi dall'entità dell'effetto», osserva Stocker. Ciò significa che maggiore è la concentrazione di biogel, minore è la quantità di carbonio che raggiunge il fondale marino. Questo perché i batteri hanno più tempo per metabolizzare il carbonio.
L'effetto frenante è dovuto in parte alla bassa densità dei biogel: quando frammenti di queste sostanze si impigliano nelle particelle organiche, ne rallentano la discesa, come farebbe una boa. Inoltre il biogel si allarga come un paracadute e forma filamenti, aumentando così la resistenza alla caduta dovuta all'attrito con l’acqua. Il team ha potuto confermare queste conclusioni tramite un modello matematico.
Anche i processi microscopici hanno un forte impatto
«Ci aspettiamo che questi processi avvengano in modo analogo nell'oceano», afferma Stocker. Tuttavia, in natura esiste una grande variabilità. Diversi organismi producono, nelle diverse regioni marine, quantità variabili di biogel, che differisce anche nella composizione. «Con i nostri modelli matematici, cerchiamo fare previsioni più accurate».
Secondo Stocker, sarà utile integrare gradualmente questi meccanismi nei modelli di previsione climatica. «Esistono molti altri processi che avvengono su scala molto piccola». Alcuni di essi potrebbero addirittura avere un effetto opposto. Tuttavia, se ne sa ancora troppo poco. «Dobbiamo quindi aprire questa scatola nera e scoprire esattamente cosa succede nell'oceano su microscala».