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5. Il corpo di Gaia

Il titolo di questa relazione, Il corpo di Gaia, è stato ispirato da un bel libro di Tyler Volk, recentemente pubblicato anche in Italia. Il sottotitolo del volume, Fisiologia del pianeta vivente, potrebbe indurre qualche confusione perché accresce la polarità, già forte nello stesso nome Gaia, verso l'attribuzione di una 'personalità' antropomorfa al pianeta che abitiamo, e tuttavia vedremo al termine di questa sezione come possa essere significativa la riflessione sulla 'fisiologia' di un sistema complesso qual'è la Terra.

    

Figura 12 Andamento della concentrazione atmosferica di CO2. Osservatorio di Mauna Loa, Hawaii  

La prima volta che vidi un grafico simile a quello di Figura 12 fu in un contesto professionale, mentre stavo discutendo un certo problema con un collega e amico, docente di Chimica dell'ambiente nella mia Facoltà. Eravamo nel suo studio all'Università, e mentre parlavamo curiosavo tra le pagine di un testo trovato sulla scrivania. Non appena afferrai il senso di ciò che stavo guardando interruppi la conversazione, e chiesi all'amico-collega se ciò che 'vedevo' era veramente il 'respiro' della Terra. In effetti, un 'tratto comportamentale' di qualsiasi ricercatore nelle scienze sperimentali è quello di leggere un grafico in due tempi: individuare le unità di misura riportate sugli assi, considerare l'andamento del grafico. La scala dell'asse orizzontale del grafico era temporale (scandiva anni), mentre l'asse verticale riportava la concentrazione in ppm (parti per milione) di CO2 nell'atmosfera. La didascalia del grafico indicava il luogo delle rilevazioni, un osservatorio collocato nell'isola di Mauna Loa, Hawaii. La curva quindi indicava oscilazioni periodiche nella concentrazione di CO2, e la curva superiore, tracciata su scale amplificate, precisava che le oscillazioni erano annuali. Il fatto che le Hawaii si trovino in pieno Oceano Pacifico mi fece pensare che fossero le grandi masse d'acqua a 'respirare', sciogliendo e rilasciando di CO2 a seconda delle temperature, e quindi delle stagioni. In realtà la spiegazione è molto più complessa, in quanto interviene l'azione potente della biosfera, ossia della parte vivente (in senso stretto) del nostro pianeta.

Il grafico di Figura 12 è chiamato anche 'curva di Keeling', dal nome di David Keeling, che iniziò le sue osservazioni a Mauna Loa a partire dal 1958. Non appena si fu rivelata la presenza di questo curioso ciclo annuale, furono iniziate analoghe misurazioni in altri punti del globo. Le misure prese da navi nella parte meridionale del Pacifico dimostrarono che le oscillazioni erano minime, e che quindi responsabili del fenomeno non erano le masse oceaniche. Stime accurate esclusero subito che causa delle oscillazioni fossero le emissioni di CO2 legate alle attività umane, infatti queste emissioni sono quasi indipendenti dal ciclo stagionale. Il grafico di Figura 12 si spiega invocando il prevalere, su scala globale, dei processi di fotosintesi e di respirazione. Nell'elenco degli esseri fotosintetici rientrano ovviamente gli alberi e tutto il 'verde' vegetale, ma anche i muschi, la parte di alga dei licheni, le diatomee, le alghe marine, e infine i cianobatteri, che sono assolutamente ubiqui e si trovano nei suoli, nelle acque dolci e nei mari. Gli organismi respiratori sono tutti quelli che assumono O2 e rilasciano CO2. Fra questi esseri vi sono i grandi spazzini della Terra, i batteri aerobi che si nutrono dei detriti nei suoli e nelle immensità oceaniche, dalla superficie fino alle profondità abissali. Pure con funzioni di riciclo troviamo in questa categoria i funghi, poi i foraminiferi e radiolari dei mari e tutti gli animali, compresi noi umani (ogni giorno, respirando, l'umanità emette nell'atmosfera sette milioni di tonnellate di CO2). Ebbene, il bilancio netto del respiro globale degli esseri viventi sulla Terra è tale per cui quando nell'emisfero nord viene la primavera la 'inspirazione' di CO2, dovuta alla fotosintesi, prevale sulla 'espirazione' da parte di tutti gli esseri non fotosintetici. La globalità di questo 'respiro' è tale per cui le oscillazioni nella concentrazione di CO2 si rilevano in pieno oceano, in punti lontanissimi dalle aree continentali.

Purtroppo il grafico di Figura 12 mette in forte evidenza anche un altro fatto, oltre al 'respiro' di Gaia, e cioè l'incremento continuo nel tempo della concentrazione media di CO2. Siamo di fronte ad una della cause primarie dell'effetto serra, e quindi dell'aumento della temperatura media sulla superficie terrestre. La quantità di CO2 emessa dalla combustione dei combustibili fossili, dal carbone alla benzina al metano, è conosciuta con grande precisione. Per nostra fortuna risulta che nell'atmosfera va a finire 'solo' la metà delle emissioni dovute alle necessità e agli sprechi dell'umanità; l'altra metà va a finire in qualche altro 'serbatoio' naturale, fissato dalle piante o imprigionato nei suoli. I meccanismi di questo parziale salvataggio sono oggetto di studio intenso, e attualmente vi è ancora molta incertezza.

Uno degli aspetti più avvincenti delle ricerche su Gaia, intesa come sistema planetario, è la messa in luce, e talvolta la scoperta, di intense interazioni fra mondo inorganico e mondo vivente, così che sulla Terra la vita e la non-vita seguono percorsi intrecciati. Qui di seguito accennerò a due soli esempi, i cicli globali degli elementi e la complessa relazione che lega la fisiologia di una parte del fitoplancton con le nuvole - e con il clima terrestre.

  Clicli del fosforo e del calcio

  Figura 13 Il metabolismo di Gaia. Cicli del fosforo e del calcio

La Figura 13 rappresenta i cicli globali di due elementi fondamentali per la vita, il fosforo e il calcio. Di per sé sono abbastanza chiari, se si afferra che quella specie di nuvoletta che compare in alto a sinistra in ciascun ciclo vuole essere la chioma di un albero, ovvero rappresentare il mondo vegetale. Le frecce collegano i 'serbatoi' di Gaia che partecipano ai processi di riciclo: piante, suolo, rocce, fiumi; il 'serbatoio finale', gli oceani, sono sottintesi. Le frecce indicano anche la direzione dei processi, e con il loro spessore segnalano il loro diversissimo valore quantitativo; questo valore è reso numerico, in milioni di tonnellate, dalle cifre collocate vicino alle frecce. Infine l'area dei cerchi esprime il valore relativo del fosforo e del calcio 'trattenuto' rispettivamente dalle componenti organica e inorganica del suolo. Comunque sia, la presentazione grafica mette in evidenza l'enorme differenza quantitativa e qualitativa fra i due cicli. Annualmente i fiumi convogliano verso l'oceano 720 milioni di tonnellate di calcio e un magro 11 milioni di tonnellate di fosforo. Il ciclo vegetativo, dall'assunzione attraverso alle radici al decadimento nel suolo di fogli, rami e tronchi, coinvolge 620 milioni di tonnellate di calcio e 230 milioni di tonnellate di fosforo, ed è proprio rispetto a questo ciclo che si rivela la capacità essenziale della vita di creare le condizioni favorevoli al proprio sviluppo. Il calcio, abbondantemente rifornito dalle rocce, viene rilasciato in grande quantità dal sistema vivente (350 milioni di tonnellate); il fosforo, molto più raro, viene perso dal sistema vegetale con un parsimonioso valore di 5 milioni di tonnellate. Volk sottolinea l'enorme differenza fra i due casi introducendo un 'tasso di riciclo' espresso come rapporto fra la quantità dell'elemento coinvolta nel ciclo vegetativo annuale e la quantità che va 'perduta' nei fiumi. Nel caso del calcio si ha un valore di 1,1 così vicino all'unità da poter affermare che praticamente quasi tutto il calcio necessario alle piante viene rinnovato annualmente, attraverso l'introduzione nel ciclo vitale di calcio tratto dai minerali del suolo. Completamente diversa è la situazione del fosforo, il cui rapporto di riciclo è 46: questo vuol dire che un atomo di fosforo partecipa mediamente a 46 cicli vegetativi prima di iniziare a scorrere nei fiumi verso l'oceano. Come sottolinea Volk: "il sistema costituito dalla comunità biotica e dalla matrice del suolo amplifica la disponibilità del fosforo, e di conseguenza la fotosintesi, di 46 volte".

L'ultimo caso tratto dal volume di Volk riguarda la complessa funzione del dimetilsolfuro (DMS) nell'equilibrio termico del nostro pianeta. Il DMS viene prodotto in continuazione da molte specie di fitoplancton, che lo espellono come prodotto di rifiuto. Nella loro fisiologia un precursore del DMS serve al mantenimento di concentrazioni ioniche interne all'organismo differenti da quelle presenti nell'acqua di mare. Una volta emesso il DMS raggiunge l'atmosfera, dove viene rapidamente ossidato a solfato, formando un aerosol in grado di addensare l'umidità dell'aria sotto forma di nuvole. Le nuvole particolarmente ricche dell'aerosol generato dal DMS sono anche particolarmente riflettenti, così da impedire ai raggi solari di raggiungere la superficie dell'oceano. In definitiva le specie di fitoplancton che producono DMS hanno un'importante funzione di raffreddamento del pianeta.

Nel contesto generale - preoccupante - dell'aumento della temperatura media della Terra, è evidente che la ricerca sul DMS sia piuttosto attiva. Un dato certo è che, a livello evolutivo, il fitoplancton ha sviluppato quel particolare meccanismo di controllo interno, che produce DMS, per lo specifico vantaggio fisiologico che ne deriva, e non perché le singole specie traessero un particolare vantaggio evolutivo dal raffreddamento del clima. In altri termini l'evoluzione biochimica è avvenuta per motivi 'interni', senza essere influenzata dall'impatto sul clima dovuto al prodotto finale, di scarto, di quel certo meccanismo fisiologico. Per quanto riguarda l'effetto sul clima si deve ricordare che ogni variazione globale di temperatura ha un effetto assai complesso. Schematicamente un aumento di temperatura agisce vigorosamente sull'attività dei batteri del suolo, aumentando la loro capacità di favorire l'erosione dei minerali e la produzione di ioni calcio; l'aumento di ioni calcio che giungono al mare aumenta anche la quantità di CO2 'sequestrata' e precipitata nei fondali sotto forma di carbonato di calcio. Dalla diminuzione della CO2 atmosferica risultano effetti diversi. Innanzi tutto vi è un effetto antagonista all'aumento di temperatura perché diminuisce la presenza nell'atmosfera di un gas responsabile dell'effetto serra, ma la diminuzione di CO2 rallenta anche l'attività vegetativa nel suo complesso ... Lasciando la parola a Volk:

"Abbiamo così un sistema dove il DMS altera le nubi, che alterano la temperatura, che altera l'erosione, che altera la concentrazione atmosferica di anidride carbonica, che altera la vegetazione, che ri-altera l'erosione ...".

Che tutti questi fattori siano interconnessi è chiaro, quale sia il loro rapporto quantitativo e l'esito finale sulla temperatura del pianeta è oggetto di ricerca. Un valore attualmente accettabile per quanto riguarda l'abbassamento della temperatura media del pianeta dovuta all'attività del DMS è di 5,6 °C. È una cifra di grande rilievo, se si pensa che la temperatura media è attualmente di circa 15 °C, e che l'aumento di un solo grado porterebbe a variazioni climatiche e geofisiche imponenti (si pensi solo all'aumento del livello degli oceani).

Gaia si presenta all'osservazione scientifica come un sistema di grande complessità in cui la parte biotica del pianeta ha avuto e ha funzioni essenziali per l'intera dinamica planetaria. Voglio però aggiungere agli argomenti tratti dall'ottima opera di Volk un altro tema, quello del rapporto intimo - molecolare - fra tutti gli esseri che vivono su Gaia. Non appena all'inizio degli anni 1960 si cominciarono ad avere parecchi dati sulle sequenze di amminoacidi all'interno delle proteine ci si accorse che le variazioni da specie e specie erano legate al tempo trascorso dall'ultimo 'antenato' comune ai giorni nostri. Molecole con importanti funzioni fisiologiche (l'emoglobina, ad esempio) funzionano come orologi molecolari, che registrano con un certo numero di mutazioni interne il trascorrere di periodi di tempo dell'ordine di milioni di anni. Ciascuna mutazione corrisponde all'inserimento nella sequenza proteica di un amminoacido diverso da quello che prima occupava quella stessa posizione. Queste mutazioni sono rare, perché possono cambiare il funzionamento della molecola (un enzima, ad esempio), e se il cambiamento è troppo peggiorativo la selezione eliminerà tutti gli individui portatori della mutazione, e lì finirà la sua storia.

Le analisi delle sequenze hanno dato risultati sorprendenti, e nel contesto di questa relazione ne vanno citati almeno due. All'interno dei mitocondri, quelle centrali energetiche di ogni cellula del nostro corpo, svolgono un ruolo essenziale nel processo di respirazione cellulare delle molecole chiamate citocromo-c. Quando ho parlato dei mitocondri ho insistito sul fatto che possiedono un proprio DNA e sono trasmessi solo per via femminile. Attraverso questa via, particolarmente conservatrice, e ancora prima della stessa origine del sesso il citocromo-c è stato conservato praticamente intatto dai tempi più remoti, risalenti a quando gli esseri più evoluti erano organismi unicellulari eucarioti Ebbene, la sequenza del citocromo-c del nostro corpo è poco diversa da quella del citocromo-c del lievito! Esistono proteine ancora più conservatrici del citocromo-c (l'istone 4, ad esempio), ma la funzione del citocromo-c rivendica una particolare 'perfezione', già ottenuta probabilmente al tempo della divergenza fra cellule eucariote e procariote: qualcosa come 1,5 miliardi di anni fa (in cifra tonda). Per certe proteine la 'nostra' parentela molecolare con i saccaromiceti è ancora stretta. Ho messo tra virgolette l'aggettivo 'nostra' perché in realtà la parentela molecolare è comune a tutti gli esseri viventi, sardine, fave, sequoie e mucche incluse. Tutto ciò che vive su Gaia ha una parte condivide con gli altri viventi una parte notevole del proprio patrimonio genetico.

Ed proprio sulla questione delle parentele che voglio fare un ultimo richiamo prima di cominciare ad osservare gli infiniti corpi che incontriamo in cielo. Al di fuori della nostra specie troviamo i parenti più stretti negli scimpanzé. Essi condividono con noi il 99% del patrimonio genetico, e la divergenza fra le due specie è avvenuta circa 15 milioni di anni fa, un tempo brevissimo sulla scala dei tempi dell'evoluzione e della geologia. È solo 15 milioni di anni fa, che da una tribù di antenati comuni 'gemmò' una nuova specie. Non è certo un'impressione puramente soggettiva quando si coglie uno sguardo 'umano' in uno scimpanzé.
 

Segue