L'ossigeno che respiriamo ha origine in gran parte negli oceani, dove microscopiche alghe marine chiamate fitoplancton lo producono attraverso la fotosintesi. Questo processo fondamentale per la vita sulla Terra dipende da un elemento spesso trascurato: il ferro, che raggiunge le acque oceaniche sotto forma di polvere trasportata dai venti desertici e attraverso l'acqua di fusione dei ghiacciai. Una nuova ricerca pubblicata sui Proceedings of the National Academy of Sciences da un team della Rutgers University rivela ora con precisione inedita come la carenza di ferro comprometta l'efficienza fotosintetica del fitoplancton a livello molecolare, con implicazioni profonde per gli ecosistemi marini e il ciclo globale del carbonio.
Il fitoplancton marino rappresenta la base delle reti alimentari oceaniche e assorbe enormi quantità di anidride carbonica dall'atmosfera. Tuttavia, in vaste regioni degli oceani, questi organismi unicellulari operano in condizioni di stress nutrizionale a causa della scarsità di ferro, un micronutriente essenziale per la fotosintesi. Come spiega Paul G. Falkowski, professore alla Rutgers-New Brunswick e coautore dello studio, "ogni secondo respiro che fate contiene ossigeno oceanico rilasciato dal fitoplancton. La nostra ricerca dimostra che il ferro rappresenta un fattore limitante per la capacità di queste alghe di produrre ossigeno in ampie zone marine".
Per comprendere come questo limite si manifesti nelle condizioni reali degli oceani aperti, la ricercatrice Heshani Pupulewatte, dottoranda presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica, ha trascorso complessivamente 37 giorni in mare nel 2023 e 2024. A bordo di una nave di ricerca britannica, ha navigato attraverso l'Oceano Atlantico meridionale e l'Oceano Antartico, dalla costa sudafricana fino al margine della zona ghiacciata del vortice di Weddell e ritorno. Durante la spedizione, ha utilizzato fluorimetri personalizzati sviluppati da Max Gorbunov presso il laboratorio Falkowski, strumenti che misurano la fluorescenza emessa dal fitoplancton quando il processo fotosintetico si deteriora.
Le misurazioni hanno rivelato un meccanismo molecolare sorprendente: quando il ferro scarseggia, fino al 25% delle proteine che catturano la luce solare si "disaccoppiano" dalle strutture cellulari che convertono quell'energia in forme chimiche utilizzabili. Questo cortocircuito molecolare riduce drasticamente l'efficienza con cui il fitoplancton può sfruttare la radiazione solare. "Abbiamo dimostrato gli effetti dello stress da carenza di ferro sul fitoplancton direttamente in oceano, senza nemmeno riportare campioni in laboratorio per estrazioni molecolari", precisa Pupulewatte. "Attraverso misure di fluorescenza condotte in mare, siamo riusciti a mostrare che molta più energia viene dissipata come fluorescenza quando il ferro è limitante".
La ricerca ha inoltre dimostrato che quando il ferro torna disponibile, le alghe sono capaci di riconnettere questi sistemi molecolari, ripristinando l'efficienza energetica e sostenendo nuovamente la crescita cellulare. Questo adattamento dinamico suggerisce che il fitoplancton possiede meccanismi di risposta rapida alle fluttuazioni nella disponibilità di nutrienti, un'informazione cruciale per modellare la produttività oceanica in scenari climatici futuri.
Le implicazioni ecologiche di questi risultati si estendono ben oltre la biochimica cellulare. Evidenze crescenti indicano che i cambiamenti climatici stanno alterando i pattern di circolazione oceanica e riducendo la quantità di ferro che raggiunge le acque marine. Sebbene livelli più bassi di ferro non impediranno agli esseri umani di respirare, Falkowski avverte che potrebbero avere conseguenze drammatiche per gli ecosistemi marini: "Il fitoplancton è la fonte primaria di nutrimento per il krill, i minuscoli crostacei che costituiscono la base alimentare nell'Oceano Antartico per praticamente tutti gli animali, inclusi pinguini, foche, trichechi e balene. Quando i livelli di ferro diminuiscono e il cibo disponibile per questi animali di livello trofico superiore si riduce, il risultato sarà una diminuzione di queste creature maestose".
La comprensione dettagliata di come il ferro controlli la fotosintesi a scala molecolare potrebbe aiutare i ricercatori ad anticipare meglio i cambiamenti nella produttività oceanica e nelle dinamiche del ciclo globale del carbonio. Mentre per decenni gli scienziati hanno sospettato il ruolo chiave del ferro nella fotosintesi marina, la maggior parte delle ricerche precedenti si basava su esperimenti di laboratorio, lasciando aperte domande fondamentali su come il processo si svolga effettivamente negli oceani aperti. Questo studio rappresenta un passo avanti significativo nel colmare tale lacuna conoscitiva, fornendo dati quantitativi raccolti in condizioni naturali attraverso tecnologie innovative di misurazione in tempo reale.
Le prospettive future di questa linea di ricerca includono l'espansione delle misurazioni a diverse stagioni e regioni oceaniche, per mappare con maggiore precisione le aree dove la limitazione da ferro compromette la produttività primaria. Comprendere questi meccanismi diventa sempre più urgente in un contesto di rapidi cambiamenti ambientali globali, dove la capacità degli oceani di assorbire CO₂ atmosferica e sostenere la biodiversità marina dipende in modo critico dalla salute e dall'efficienza del fitoplancton.
