17 aprile 2020

Quando un granello di calcare fa la differenza: la chimica della crisi ambientale

 

«Perché  sono salito quassù? […] per ricordare a me stesso che dobbiamo sempre guardare le cose da angolazioni diverse». In piedi sulla cattedra, in una scena rimasta negli annali del cinema, il carismatico professor Keating dell’Attimo fuggente regala ad una platea di studenti sgomenti una memorabile lezione di vita. Per capire una poesia, tradurre una versione, risolvere un contorto problema di fisica, o semplicemente affrontare una difficoltà che ci si para davanti, talvolta il segreto è cambiare prospettiva: «anche se può sembrarvi assurdo, o sciocco, ci dovete provare».

 

Bene, vorrei invitare il lettore a tentare questo esperimento, per parlare di un problema che tutti conosciamo o, meglio, pensiamo di conoscere, sotto tutti gli aspetti: la crisi ambientale. È senza dubbio una questione che merita di essere definita globale, eppure abbiamo mai provato a considerarla da una prospettiva che non sia la nostra? Effetto serra, CO2, Greta Thunberg, raccolta differenziata, micro plastiche e orsi polari: questo, più o meno, quello che ci viene in mente alla sola menzione del tema; tanti pezzi di un puzzle complesso e articolato, che talvolta fatichiamo ad incastrare nel verso giusto. Tanto vale tentare la faccenda della prospettiva... ma no, giù dalle cattedre! Dovremo immergerci nelle chiare acque superficiali dell’oceano e diventare microscopici, per vedere il mondo, per il tempo di un articolo, come lo vedono... i coccolitofori. Questi esserini dal nome che già manda in visibilio non sono nient’altro che comuni alghe unicellulari, diffusissime in tutte le acque superficiali (nella cosiddetta zona eufotica) degli oceani, dai tropici ai poli. Devono il loro curioso nome al un sottile guscio calcareo che li ricopre, chiamato appunto “coccolito”, da “coccos”, ovvero granello, chicco, e “lithos”, pietra. Hanno un diametro di qualche decina di micron eppure (giusto per farsi un’idea del loro potenziale impatto) le loro immense fioriture possono essere osservate persino dallo spazio. E… avete presente le bianche scogliere di Dover? Ecco, quelle rocce bianchissime e molto poetiche non sono altro che gusci di coccolitofori sedimentatisi con il passare del tempo.

 

Ma oltre ad ispirare poeti e artisti, i coccolitofori nella vita svolgono compiti di fondamentale importanza per il buon funzionamento dell’ecosistema marino e, tra tutti, sono veri e propri campioni d’ecologia. Infatti, in quanto organismi fotosintetici, i coccolitofori partecipano attivamente a quello che si chiama il fast carbon cycle, ovvero al costante e continuo scambio di composti di carbonio tra l’atmosfera e la biosfera (terrestre o marina che sia). Attraverso la fotosintesi, i coccolitofori sottraggono dall’acqua la CO2 e la trasformano in composti organici più complessi, principalmente zuccheri. Queste catene di carbonio finiscono poi per tornare all’atmosfera, nuovamente sotto forma di anidride carbonica, quando gli organismi muoiono e si decompongono.

L’importanza di questo meccanismo al livello globale è sorprendente: se si osservano le fluttuazioni della concentrazione di CO2 nell’atmosfera, ad esempio nell’emisfero boreale, durante il corso dell’anno, è possibile vedere il nostro pianeta respirare: essa sale fino ad un picco massimo durante l’inverno, quando poche piante crescono e moltissime muoiono, e diminuisce fino ad un minimo nelle stagioni calde, durante le quali la crescita e l’attività delle piante sulla terra e nei mari tocca il suo massimo. È davvero qualcosa di straordinario.

 

Oltre a partecipare a questo immenso respiro collettivo, i coccolitofori producono come altri fitoplancton il DMS, acronimo che sta per dimetilsolfuro. Questa sostanza, un tioetere , oltre ad essere un importante anello nella catena del ciclo biogeochimico dello zolfo, e conferire all’aria il caratteristico profumo di salsedine, contribuisce a regolare il clima del nostro pianeta: infatti favorisce il meccanismo di nucleazione, ossia di formazione, delle nuvole, che a loro volta regolano la riflessione della radiazione solare e di conseguenza la quantità di calore trattenuta nell’atmosfera.

 

Ma non finisce qui. I coccolitofori infatti hanno un’altra carta da giocare: i loro elegantissimi gusci. Come tanti altri organismi marini, tra cui coralli, ostriche, e granchi e mitili, essi sono in grado di svolgere un processo di calcificazione che permette loro di costruire le scaglie di carbonato di cui sono ricoperti. Il mattone di costruzione fondamentale per questo processo è il carbonato, CO32- , una forma di carbonio inorganico naturalmente disciolta nelle acque marine, che viene combinato con il calcio (Ca2+) per formare, sotto determinate condizioni, un sale poco solubile chiamato carbonato di calcio (CaCO3)... niente di più del calcare che si forma in fondo al bollitore di casa. Il processo di calcificazione permette perciò di fissare il carbonio presente nelle acque in una forma stabile e generalmente insolubile, che finisce per precipitare sui fondali quando questi organismi muoiono. È la cosiddetta “pompa biologica”: un altro fondamentale meccanismo che ha come risultato quello di sequestrare carbonio dall’aria e dall’acqua, e di portarlo nel fondo degli oceani, dove potrebbe, a seconda delle condizioni, imboccare la via dello slow carbon cycle. Questo ciclo, che avviene secondo tempi letteralmente geologici, riguarda le dinamiche di scambio tra atmosfera e geosfera, vale a dire tra l’aria e le riserve di carbonio che si trovano chilometri e chilometri sotto i nostri piedi (ma questa è un’altra storia).

 

Bene, se avete cominciato a guardare con occhio amico a questi bizzarri coccolitofori, ora viene la parte poco piacevole. Dall’era preindustriale ad oggi abbiamo aumentato regolarmente le nostre emissioni di CO2, gas prodotto da processi industriali, agricoltura e allevamento intensivi, trasporti, riscaldamenti. Questo, a lungo andare, come è logico aspettarsi, ha un impatto significativo sugli equilibri biogeochimici del nostro pianeta, in particolare sul già citato ciclo del carbonio.

Una conseguenza, che tutti ormai ben conosciamo, è quella del riscaldamento globale: la CO2 infatti, come altri gas presenti nella nostra atmosfera, è una molecola in grado di assorbire energia ad una lunghezza d’onda molto particolare, quella degli infrarossi. Dico “particolare” perché è proprio sotto forma di infrarossi che la Terra riemette verso lo spazio parte dell’energia che le arriva dal Sole: allora, quando una radiazione emessa dalla Terra colpisce una molecola di CO2 che si trova nell’atmosfera, questa la riconosce come “compatibile”, la assorbe e passa ad uno stato eccitato; dopodichè tornando al suo stato fondamentale riemette questa energia in tutte le direzioni: e così il 50% se ne va nello spazio, dove doveva andare, ma l’altro 50% torna al mittente, la Terra. È il noto meccanismo dell’effetto serra che, a regime, è un fenomeno del tutto naturale: in sua assenza le temperature medie terrestri si aggirerebbero sui -15 °C! Quando però la concentrazione dei gas serra nell’atmosfera cresce, al di fuori delle normali condizioni, diventa troppo il calore che viene trattenuto sulla Terra e le temperature aumentano. Questo, tuttavia, non è l’unico effetto.

 

Il nostro pianeta è ricoperto per il 70% dagli oceani, i quali partecipano attivamente agli equilibri globali. La superficie degli oceani è sede di intensi e continui scambi di sostanze con l’atmosfera, che determinano le condizioni di vita di ecosistemi marini e terrestri. È logico aspettarsi quindi che una diversa concentrazione di CO2 nell’atmosfera abbia le sue ripercussioni sugli oceani: ora, sappiamo che oltre il 30% delle emissioni di anidride carbonica viene assorbita da queste immense distese marine. Tonnellate e tonnellate di CO2 finiscono in questa enorme riserva (giusto per fare un’analogia, immaginate che ogni abitante nel mondo getti nel mare una quantità di CO2 che equivale al peso di una palla da bowling ogni giorno) con l’effetto di mitigare in maniera sorprendente le conseguenze più immediate del cambiamento climatico. Questo altera però, in maniera drammaticamente silenziosa, gli equilibri chimici degli oceani.

 

Quando la pressione parziale dell’anidride carbonica sulla superficie aumenta, una quantità maggiore se ne scioglie nell’acqua sottostante (come vuole la legge di Henry ). Quando la CO2 entra a contatto con acqua, forma acido carbonico: molti ricorderanno dai corsi di chimica che un acido in soluzione libera ioni H+, la cui concentrazione viene espressa dal pH. Quest’ultima è una scala logaritmica che va da 0 a 14: quando il pH è minore di 7 una soluzione si dice acida, basica (o alcalina) se è maggiore, neutra quando è uguale a 7. L’acqua di mare è naturalmente leggermente alcalina, con un pH medio di 8.25 unità circa. A questo punto possiamo dedurre cosa succede quando quantità sempre maggiori di CO2 vengono immesse nell’atmosfera: più anidride nell’aria significa più anidride nell’acqua sotto forma di acido, e quindi più H+ liberi. Risultato: il pH diminuisce. Siamo davanti al fenomeno comunemente detto “acidificazione degli oceani”. Dall’era preindustriale ad oggi, il pH medio oceanico è sceso da 8.25 a 8.14: se vi sembra un dato poco preoccupante vi basterà ricordare che parliamo di valori di una scala logaritmica, che possiamo tradurre dicendo che l’acidità è aumentata del 30%. E si prevede un ulteriore aumento del 150% entro la fine del secolo.

 

Ora, i nostri oceani sono più sofisticati di così: per ovviare alle fluttuazioni delle condizioni esterne e mantenere un necessario equilibrio di acidità, si servono di un meccanismo detto “sistema tampone”.  La dissociazione dell’acido carbonico avviene in due step successivi, un protone per volta:

 

 

Queste sono reazioni di equilibrio e in quanto tali, se stimolate dall’esterno, possono evolvere verso i prodotti o regredire ai reagenti per mantenere soddisfatta la costante di equilibrio (è il principio di Le Chatelier; per approfondire vedi l’articolo  “Le dee dell’equilibrio” ). In breve, se ci sono troppi H+ in giro, questi possono essere “smaltiti” formando bicarbonato (HCO3-) con il carbonato naturalmente sciolto nelle acque. Il pH in questo modo cambia meno drasticamente, perché quello che conta sono gli H+ liberi, parte dei quali viene intrappolata sotto forma di bicarbonato. Questo sistema geniale permette quindi di “tamponare” in modo molto efficace le variazioni di pH.

 

Ma purtroppo non mancano gli effetti collaterali: ogni volta che si forma una molecola di bicarbonato, vengono sottratti all’ambiente non solo i protoni, ma anche gli ioni carbonato CO32-. Come abbiamo detto sopra però, questi ioni sono anche i mattoni di costruzione che permettono la calcificazione, per cui si instaura una sorta di competizione esiziale tra le varie componenti, una lotta che alimenta un circolo vizioso: più aumenta la CO2 nell’aria, più scende il pH oceanico, meno carbonati rimangono, e di conseguenza l’effetto immediato è più energia da spendere per tutti gli organismi calcificatori, che si trovano così sottoposti ad uno stress biologico non indifferente.

 

Un altro punto fondamentale è che, affinché i gusci calcarei siano stabili in acqua, il CO32- libero deve mantenersi al di sopra di una certa concentrazione limite, che determina la condizione di saturazione dell’acqua. Per dirla con parole semplici, immaginate di prendere un bicchier d’acqua e versarci uno, due, tre cucchiaini di zucchero. Man mano che aggiungete e mescolate, vedete i granelli di zucchero sciogliersi e sparire, finchè però non ne avrete aggiunta una quantità tale da “saturare”, appunto, la soluzione: osserverete allora sul fondo del bicchiere un mucchietto di zucchero che non si scioglie più. Il nostro zucchero è il carbonato: se sciolto in acqua ce n’è una quantità sufficiente, se ne sta tutto tranquillo e non si scioglie. M a se i carbonati vengono piano piano sottratti dagli ioni H+ come abbiamo visto, si arriva ad un punto in cui il carbonato di calcio non è più stabile: i gusci iniziano a corrodersi.

Sulla base della concentrazione dei carbonati liberi e di altri fattori, quali la pressione e la temperatura, si può individuare una certa linea chiamata “orizzonte di saturazione”: ce la possiamo figurare come una linea rossa che individua la profondità al di sotto della quale il carbonato di calcio si scioglie. Già ad oggi si assiste, in molte zone del globo, al cosiddetto “innalzamento dell’orizzonte di saturazione” del carbonato di calcio: laddove prima gli organismi calcificatori come i coccolitofori vivevano indisturbati, ora si ritrovano in un ambiente del tutto nuovo che sconvolge le loro funzioni biologiche. Sul lungo termine la prospettiva appare ancora più cupa: in uno studio pubblicato su Nature, alcuni ricercatori hanno simulato le condizioni di acidità previste per la fine del secolo e ne hanno osservato gli effetti su esemplari di plancton calcareo (in particolare erano pteropodi, animaletti che somigliano a lumachine di mare): in circa 45 giorni il loro guscio di carbonato di calcio era praticamente dissolto.

 

L’acidificazione degli oceani sta mettendo a dura prova interi ecosistemi, minando le loro fondamenta: i coralli, già inginocchiati dallo sbiancamento dovuto all’aumento delle temperature, dovranno adattarsi anche alle nuove condizioni di acidità; il plancton, che costituisce la dieta di piccoli e grandi predatori, è minacciato dall’impossibilità di proteggersi e svolgere le funzioni vitali di base; le concentrazioni anomale di H+ sembrano inoltre interferire con alcuni meccanismi di trasmissione neuronale di molti pesci, che appaiono meno in grado di riconoscere pericoli e predatori. Alcuni organismi fotosintetici quali alghe e fitoplancton potrebbero invece beneficiare di un aumento di CO2 nel loro habitat, che permetterebbe di incrementare la produttività dei processi di fotosintesi (a patto che riescano ad adattarsi ad acque molto più calde); non mancano inoltre alcune recenti ricerche che riportano dati positivi sulla capacità di adattamento evolutivo di alcune particolari specie, tra cui anche i nostri amici coccolitofori.

 

Ma riusciranno a farlo ai folli ritmi che noi stessi stiamo imponendo? E se sì, quali saranno le conseguenze sugli altri organismi e sull’ambiente? Certo è che la risposta dei grandi ecosistemi è complessa e non priva di contraddizioni: ci ricorda che per noi c’è ancora tanto da imparare.  A noi, nel nostro piccolo, è bastato davvero il tempo di un articolo per capire quanto può avere da insegnarci una minuscola alga dalla corazza di calcare.

 

Per saperne di più:

Per una prospettiva più ampia sull’effetto della crisi ambientale sugli oceani, si consiglia il volume The World Is Blue: How Our Fate and the Ocean Are One di Sylvia Earle. I più audaci possono invece leggere il report della Royal Society .

 
Immagine di wilhei da Pixabay. Libera per usi commerciali

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