Una nuova proposta per studiare i camini idrotermali

Con il termine hydrothermal vents ci riferiamo ad un camino idrotermale sottomarino, dove si ha fuoriuscita di acqua molto più calda dell’ambiente circostante. Questa scoperta, alla fine degli anni 70, ha condotto ad una nuova visione sulle possibilità della vita sul nostro pianeta e nel sistema solare.

Europa Jupiter — *Figura 1 – Europa, una luna ghiacciata di Giove dal sempre maggior interesse astrobiologico* *[NASA / Jet Propulsion Lab-Caltech / SETI Institute]*

Caratteristiche delle hydrothermal vents

Una hydrothermal vent è una zona della crosta terrestre dove si ha fuoriuscita di acqua calda grazie a fenomeni di vulcanesimo. Queste acque, ricche di metalli, permettono la crescita di organismi estremofili chemiosintetici (Bacteria ed Archea). Essi sono alla base delle reti trofiche presenti in questi ambienti, basate su fenomeni di simbiosi mutualistica.

Le hydrothermal vents sono spesso raggruppate in campi idrotermali (vents field) di estensione variabile. Si creano grazie ai minerali presenti nelle acque rilasciate, la cui temperatura può arrivare fino ai 400 °C rispetto ai 2 tipici dei fondali oceanici; quando l’acqua calda arriva a contatto con quella fredda, i minerali disciolti precipitano accumulandosi sui bordi del camino, formando una struttura cilindrica che può raggiungere importanti altezze (fino a svariate decine di metri) prima di collassare.

Possiamo trovare due tipologie di hydrothermal vents, con diverse comunità biologiche associate:

Black smokers: camini idrotermali con acque fino a 400 °C ricche di H₂S, metano e CO₂, in grado di ospitare elevata biomassa
White smokers: camini idrotermali con acqua fino a 90 °C ricche in Ca, in grado di ospitare minore biomassa

Entrambe queste strutture sono accomunate dall’essere effimere: quando finisce l’apporto di acqua geotermale, il camino collassa assieme alla fauna associata.

Black Smoker, tipologia camino idrotermale — *Figura 2 – Una* black smoker nell’oceano Atlantico [NOAA]

Lo studio delle aree idrotermali sottomarine

Al giorno d’oggi, ci sono più persone che hanno visto direttamente la superficie della luna rispetto alle profondità degli abissi; lo studio delle hydrothermal vents e degli ambienti profondi avviene per lo più mediante ROV (Remotely Operated Vehicle) filoguidati, collegati da un lungo cavo ombelicale ad una nave d’appoggio. Equipaggiati con braccia idrauliche, fotocamere ed altri strumenti, sono uno dei metodi principali per lo studio dei camini idrotermali: possono avvicinarsi maggiormente alla bocca dei camini rispetto ai rover, i loro cugini dotati situati sul fondale. Grazie ai ROV, è possibile campionare non solo organismi, ma anche il fluido che fuoriesce dai camini idrotermali. Recentemente si sta sviluppando la tecnologia degli AUVs (Autonomous underwater vehicles), indipendenti da cavi ombelicali e quindi con minor rischio di rimanere impigliati nelle strutture e liberi dalla restrizione della lunghezza del cavo stesso.

Lo studio dei campioni prelevati dalle hydrothermal vents risulta di importantissimo interesse microbiologico. La presenza della plume crea un gradiente di minerali e di temperatura per i microrganismi ipertermofili (batteri o Archea) presenti in sospensione nella colonna d’acqua. Essi sono fondamentali per gli invertebrati che vivono associati ai camini idrotermali; i rapporti simbiotici tra svariati animali del deep-sea e vari microrganismi sono alla base delle biocenosi presenti. Inoltre, molti di questi batteri ed Archea sono target di interesse biotecnologico per potenziali applicazioni, data la loro capacità di resistere a temperature elevatissime.

ROV messa in acqua — *Figura 3 – ROV “Hercules” della NOAA [NOAA]*

In-situ Growth Chambes

Mentre il campionamento degli invertebrati avviene con le braccia idrauliche, quello del fluido in uscita avviene solitamente tramite ugelli in titanio che arrivano fino a dentro la plume calda, aspirandone una certa quantità che verrà poi trasportata in superficie all’interno di contenitori appositi. Questi campioni danno un idea agli scienziati dei fluidi che potevano essere presenti nei primi stadi di sviluppo del pianeta, sebbene siano meno utili per lo studio di come evolvono nel tempo queste strutture.

In un recente pezzo pubblicato su Nature, Arlaine Sanchez propone un nuovo metodo per studiare lo sviluppo delle hydrothermal vents; dato che l’utilizzo di sistemi costruiti in laboratorio non riesce a cogliere la complessità biogeochimica di queste strutture, l’autrice propone l’uso di In-situ Growth Chamber (IGC); metodi simili erano già stati impiegati per la coltivazione di batteri in loco. Si tratta di strutture che permettono la crescita di un camino “artificiale” sfruttando fluidi uscenti da un camino idrotermale vicino, convogliati e regolati mediante un sistema di tubi in PVC e valvole. Secondo l’autrice, questa metodologia potrebbe offrire una panoramica nuova sulla chimica prebiotica della Terra primordiale e sulle hydrothermal vents di altri corpi celesti.

Oltre le hydrothermal vents oceaniche

Lo studio delle hydrothermal vents è interessante per le sue implicazioni all’astrobiologia. Nel 2017 la NASA provò a simulare in laboratorio un camino idrotermale che potremmo trovare su Encelado, una luna di Saturno; lo scopo di questi studi è ampliare la conoscenza sulla chimica prebiotica, proseguendo lungo la strada iniziata da Muller e Urey con l’omonimo esperimento. Un’altra candidata per la presenza di strutture simili è Europa, una luna di Giove: entrambe posseggono un oceano al di sotto della spessa crosta di ghiaccio. Per Europa sono state proposte varie missioni, tra cui l’impiego di una sonda per sciogliere la crosta al fine di rilasciare un AUV per esplorarne i fondali; questa proposta è tutt’ora ad uno stato teorico, mentre la prossima missione in programma (2022) è JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), composta da una sonda che dovrebbe studiare Europa, Callisto e Ganimede mediante fly-by.

Criovulcanismo Encelado — *Figura 4 – Camini idrotermali su Encelado [NASA/JPL-Caltech]*

Criovulcanismo Europa, camini idrotermali — *Figura 5 – Camini idrotermali su Europa [NASA/JPL-Caltech]*

Secondo alcuni, le lune dei giganti gassosi non sono l’unico target dove cercare segni di hydrothermal vents: è il caso di Marte. Alcune osservazioni del Mars Reconnaissance Orbiter hanno condotto all’ipotesi di attività vulcanica nella regione marziana del bacino Atlantis con il paleolago Eridania, un’area precedentemente sommersa: si tratterebbe quindi di camini idrotermali fossili, resti di un era del pianeta in cui era presente presenza di acqua liquida. In queste condizioni, le hydrothermal vents marziane avrebbero potuto forse ospitare qualche tipo di forma di vita microbica e termofila.