Il microbioma del suolo si auto-organizza per guidare il ciclo del carbonio
Il suolo è un importante serbatoio di carbonio, per ragioni microscopiche. I microbi nel suolo scompongono costantemente il materiale vegetale, rilasciando una parte di CO2 nell’atmosfera ma immagazzinando molto più carbonio all’interno della struttura del suolo. «Nel corso di migliaia di anni, questa attività microbica non solo ha mantenuto in equilibrio il ciclo del carbonio tra terra e atmosfera, ma ha anche accumulato enormi riserve di carbonio nei suoli», spiega Christina Kaiser(si apre in una nuova finestra), professoressa associata presso il Centro di microbiologia e scienze dei sistemi ambientali dell’Università di Vienna. «Tuttavia, non comprendiamo ancora appieno i meccanismi che determinano la decomposizione microbica della materia organica del suolo.» Il microbioma del suolo funziona su scale incredibilmente piccole e non sappiamo ancora in che modo le interazioni microbiche in un ambiente spazialmente complesso come il suolo mediano il processo complessivo a livello di sistema del ricambio della materia organica. Nel progetto SomSOM, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), Kaiser e colleghi hanno gettato nuova luce su questo sistema sotterraneo, indagando le interazioni tra microbi attraverso la lente della scienza dei sistemi complessi. Le teorie in questo campo suggeriscono che le interazioni a livello micro possono, in un processo chiamato auto-organizzazione. portare a comportamenti emergenti a livello di sistema non prevedibili dalle singole parti. «Abbiamo trovato prove che il comportamento dei sistemi complessi è fondamentale per il funzionamento del suolo», afferma Kaiser. «Questa prospettiva è essenziale per prevedere come i suoli risponderanno ai cambiamenti ambientali e come plasmeranno il bilancio del carbonio della Terra in futuro.»
L’auto-organizzazione nelle comunità microbiche del suolo
L’équipe ha studiato il modo in cui i microbi del suolo si auto-organizzano su diverse scale spaziali, combinando esperimenti su scala microscopica con modelli computerizzati per studiare come i microbi cooperano per scomporre sostanze complesse. Per accedere alle fonti di cibo, infatti, devono produrre enzimi e rilasciarli nell’ambiente. Come dimostra il progetto, l’efficacia di questi enzimi dipende fortemente dalla struttura dei micropori del suolo. Questi infatti creano uno scambio per i microbi, che porta al superamento di soglie critiche, per cui piccoli cambiamenti nelle condizioni ambientali possono generare modifiche radicali nell’attività microbica. Su scale più ampie, è stato dimostrato che la struttura del suolo su scala millimetrica emersa a causa delle attività dei microbi cambia le comunità microbiche e le collega a distinte parti di materia organica, con potenziali implicazioni per la loro ecologia ed evoluzione. Utilizzando terreni provenienti da esperimenti sul campo a lungo termine, l’équipe ha anche valutato il ruolo del microbioma del suolo a livello di ecosistema. Nelle praterie austriache, 70 anni di depauperamento dei nutrienti avevano causato complessi cambiamenti nei funghi del suolo, i quali avevano modificato le comunità vegetali e la chimica del suolo. In Islanda, studi condotti lungo un gradiente geotermico naturale hanno dimostrato che i terreni possono superare soglie critiche di non ritorno in caso di cambiamenti ambientali. I risultati sono stati pubblicati su diverse riviste sottoposte a revisione paritaria, tra cui «Nature Geoscience», «ISME Journal» e «PLOS Computational Biology», e presentati in diverse conferenze, sia relative al suolo che ai sistemi complessi e alla modellazione matematica.
Approfondire le conoscenza degli ecosistemi microbici del suolo
Nel complesso, il progetto ha permesso di approfondire le conoscenze sugli ecosistemi microbici del suolo attraverso un approccio non tradizionalmente usato nella disciplina e ha fornito la prima prova che le dinamiche dei sistemi complessi influenzano il ricambio del carbonio nel suolo. «Combinando idee provenienti dall’ecologia microbica, dalla scienza del suolo e dalla teoria dei sistemi complessi, il progetto ci ha fornito una nuova prospettiva sui controlli del ricambio della materia organica del suolo e su come risponde ai cambiamenti ambientali», aggiunge Kaiser. «Si tratta di un progresso significativo rispetto allo stato dell’arte della ricerca sul suolo.»
