La ricerca nel Lago Superiore rivela come lo zolfo potrebbe aver circolato negli antichi oceani della Terra

Fortunatamente, le acque povere di nutrienti del Lago Superiore offrono uno sguardo gradito al passato. “È davvero difficile guardare indietro di miliardi di anni”, ha detto Phillips, ex ricercatore post-dottorato presso l’UC Santa Barbara e l’Università del Minnesota, Duluth. “Quindi questa è una grande finestra.” Lei e i suoi coautori hanno scoperto un nuovo tipo di ciclo dello zolfo nel lago. I loro risultati, pubblicati in Limnologia e Oceanografiafocalizzare l’attenzione sul ruolo svolto dai composti organici dello zolfo in questo ciclo biogeochimico.

Lo ione solfato (SO₄) è la forma di zolfo più comune nell’ambiente e un componente importante dell’acqua di mare. Nei fondali degli oceani e dei laghi, dove l’ossigeno diventa indisponibile, alcuni microbi si guadagnano da vivere trasformando il solfato in idrogeno solforato (H₂S). Il destino di questo idrogeno solforato è complesso; può essere consumato rapidamente dai microrganismi durante la respirazione, oppure può essere trattenuto nei sedimenti per milioni di anni. La conversione del solfato in idrogeno solforato è una professione consacrata dal tempo; le prove genomiche suggeriscono che i microbi lo fanno da almeno 3 miliardi di anni.

Ma gli scienziati ritengono che il solfato non sia diventato abbondante fino a circa 2,7-2,4 miliardi di anni fa, quando l’attività fotosintetica dei cianobatteri appena evoluti iniziò a pompare enormi quantità di ossigeno nell’oceano e nell’atmosfera. Allora da dove prendevano il solfato questi antichi microbi?

Alexandra Phillips è una scienziata marina e climatica con esperienza in oceanografia, geochimica e geobiologia. La sua ricerca si concentra sullo zolfo organico negli oceani e nei laghi e su come i social media possano mostrare diversi modelli di ruolo per le donne nelle discipline STEM. Phillips funge anche da comunicatore scientifico e funzionario politico.

Riflettendo su questo dilemma, Phillips ha rivolto la sua attenzione allo zolfo organico, molecole in cui lo zolfo è legato a un composto di carbonio. Questi includono solfolipidi e aminoacidi solforati. Nell’oceano moderno, il solfato è quasi un milione di volte più abbondante dello zolfo organico. “Ma in un sistema in cui non c’è molto solfato, all’improvviso lo zolfo organico conta molto di più”, ha detto.

“Per molto tempo, il nostro pensiero è stato dominato da ciò che potevamo imparare dagli oceani moderni, che sono ricchi di solfati”, ha affermato l’autore senior Sergei Katsev, professore presso l’Osservatorio dei grandi laghi dell’Università del Minnesota. Katsev è stato lo scienziato senior del progetto finanziato dalla National Science Foundation. “Per comprendere la Terra primordiale, tuttavia, è necessario osservare i processi che emergono quando il solfato scarseggia, ed è qui che lo zolfo organico può cambiare l’intero paradigma”.

Si dà il caso che il Lago Superiore abbia pochissimo solfato, quasi mille volte meno dell’oceano moderno. “In termini di solfati, il Lago Superiore appare molto più vicino all’oceano miliardi di anni fa e potrebbe aiutarci a comprendere processi che non possiamo tornare indietro nel tempo per osservare direttamente”, ha affermato Phillips. I primi oceani avevano pochissimi solfati perché c’era molto meno ossigeno libero disponibile per formare SO₄.

Il grande lago funge da analogo per l’antico oceano, consentendo a Phillips di vedere come il ciclo dello zolfo potrebbe essersi svolto allora in condizioni chimiche simili. Aveva tre domande in mente:

1. Se si verifica la riduzione dei solfati, quali microbi sono responsabili?
2. Se lo zolfo organico alimenta questo processo, quali tipi di composti preferiscono i microbi?
3. E cosa succede all’idrogeno solforato prodotto?

Phillips e i suoi collaboratori si sono diretti al Lago Superiore per tracciare lo zolfo organico dalla fonte al pozzo. Il team ha riportato in laboratorio campioni di acqua e sedimenti per l’analisi da due siti: uno con abbondante ossigeno nel sedimento e uno senza. La riduzione dei solfati avviene solitamente nelle parti anossiche dell’ambiente. L’ossigeno è una grande risorsa, quindi gli organismi preferiscono utilizzare l’ossigeno invece del solfato quando possono. Il team ha utilizzato la metagenomica per cercare microbi con geni coinvolti nella riduzione dei solfati. E ne hanno trovati in abbondanza, proprio nello strato in cui i livelli di solfato nel sedimento raggiungevano il picco. In tutto, hanno identificato otto taxa solfato-riduttori.

I ricercatori hanno quindi iniziato a determinare quale varietà di zolfo organico preferissero i microbi. Hanno somministrato diverse forme di zolfo organico per separare le comunità microbiche e hanno osservato i risultati. Gli autori hanno scoperto che i microbi producevano la maggior parte del loro solfato dai solfolipidi, piuttosto che dagli amminoacidi solforati. Sebbene questo processo richieda una certa energia, è molto inferiore a quella che i microbi possono ottenere dalla successiva riduzione del solfato in idrogeno solforato.

Non solo i solfolipidi erano preferiti per questo processo, ma erano anche più abbondanti nel sedimento. I solfolipidi sono prodotti da altre comunità microbiche e quando muoiono vanno alla deriva sul fondo del lago.

Dopo aver risposto al “chi” e al “come”, Phillips ha rivolto la sua attenzione al destino dell’idrogeno solforato. Nell’oceano moderno, l’idrogeno solforato può reagire con il ferro per formare pirite. Ma può anche reagire con molecole organiche, producendo composti organici di zolfo. “E abbiamo scoperto che c’è una tonnellata di materia organica solforata nel lago, il che è davvero sorprendente per noi”, ha detto. “Non solo lo zolfo organico alimenta il ciclo dello zolfo come fonte, ma è anche un eventuale pozzo per l’idrogeno solforato.”

Questo ciclo – dallo zolfo organico al solfato all’idrogeno solforato e ritorno – è completamente nuovo per i ricercatori. “Gli scienziati che studiano i sistemi acquatici devono iniziare a pensare allo zolfo organico come ad un attore centrale”, ha affermato Phillips. Questi composti possono guidare il ciclo dello zolfo in ambienti poveri di nutrienti come il Lago Superiore o persino l’antico oceano.

Questo processo può essere importante anche nei sistemi con alto contenuto di solfato. “Il ciclo organico dello zolfo, come quello che vediamo nel Lago Superiore, è probabilmente onnipresente nei sedimenti marini e d’acqua dolce. Ma nell’oceano il solfato è così abbondante che il suo comportamento oscura la maggior parte dei nostri segnali”, ha detto l’autore senior Morgan Raven, biogeochimico dell’Università di Los Angeles. UC Santa Barbara. “Lavorare nel Lago Superiore a basso contenuto di solfati ci consente di vedere quanto sia realmente dinamico il ciclo sedimentario dello zolfo organico.” Lo zolfo organico sembra servire come fonte di energia per le comunità microbiche e preservare il carbonio organico e i fossili molecolari. Combinati, questi fattori potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere l’evoluzione dei primi microrganismi che ciclano lo zolfo e il loro impatto sulla chimica della Terra.

Alcune delle prime reazioni biochimiche probabilmente coinvolgevano lo zolfo, ha aggiunto Phillips. “Siamo abbastanza sicuri che lo zolfo abbia svolto un ruolo importante nei primissimi metabolismo.” Una migliore comprensione del ciclo dello zolfo potrebbe fornire informazioni su come le prime forme di vita sfruttarono questo tipo di chimica redox.