Prati, foreste, laghi o brughiere: gli ecosistemi sono interrelazioni complesse. Piante, animali e altri organismi viventi si influenzano a vicenda, ma dipendono anche dalla natura dell'ambiente non vivente. Ad esempio, su un terreno ricco di sostanze nutritive si sviluppano comunità di specie completamente diverse rispetto a un terreno povero di sostanze nutritive.

Tali correlazioni sono note da tempo. Tuttavia, finora la ricerca ha solo scalfito la superficie, afferma Erika C. Freeman, ricercatrice post-dottorato nel gruppo di ricerca del professor Florian Altermatt presso l'istituto di ricerca acquatica Eawag e l'Università di Zurigo. "Ci sono milioni di composti organici diversi nel suolo, nell'acqua e nell'aria. Il modo in cui interagiscono tra loro e influenzano i processi ecologici è stato poco studiato".

In un articolo appena pubblicato sulla rivista scientifica "Trends in Ecology & Evolution", un team di ricerca guidato dalla prima autrice Erika C. Freeman chiede di colmare questa lacuna nella ricerca. Secondo la Freeman, i prerequisiti per farlo ci sono. "Lo sviluppo della spettrometria di massa ad alta risoluzione, le crescenti banche dati molecolari e l'aumento della capacità di calcolo ci stanno consentendo di registrare sistematicamente la complessità degli ecosistemi a livello molecolare per la prima volta. Allo stesso tempo, la nostra comprensione dei processi metabolici non solo negli animali e nelle piante, ma anche nei microbi ha fatto enormi progressi grazie alle nuove tecnologie di sequenziamento." I tempi sono quindi maturi per una "ecologia delle molecole", in cui si studiano le interazioni tra le singole molecole organiche e gli organismi viventi negli ecosistemi.

La molecola di bromo uccide le aquile di mare

Esistono già singoli studi di questo tipo. Qualche anno fa, ad esempio, gli scienziati hanno dimostrato che una molecola contenente bromo era la causa di una misteriosa moria di aquile di mare negli Stati Uniti. I cianobatteri che vivono su una pianta acquatica introdotta hanno prodotto questa tossina, che si è poi accumulata attraverso la catena alimentare ed è stata ingerita dalle aquile calve attraverso le loro prede, ad esempio gli uccelli acquatici. In un altro studio, un gruppo di ricercatori ha dimostrato che un composto chiamato "6PPD", proveniente dall'abrasione dei pneumatici delle auto nei fiumi statunitensi, è responsabile della morte dei salmoni argentati.

Questi singoli esempi spettacolari sono solo la punta dell'iceberg. Secondo i ricercatori, è noto, ad esempio, che nelle foreste i cosiddetti tannini - tannini vegetali - rallentano la decomposizione delle foglie e quindi influenzano il ciclo dei nutrienti. I coleotteri della corteccia, invece, utilizzano molecole volatili note come feromoni per coordinare gli attacchi di massa alle conifere indebolite, che infestano e fanno morire. Questi feromoni svolgono quindi un ruolo chiave nei cicli di riproduzione dei coleotteri, nella salute degli alberi e, in ultima analisi, nella distribuzione dei nutrienti nella foresta attraverso la decomposizione del legno.

Erika C. Freeman è rimasta affascinata da queste connessioni fin dai suoi studi in Canada e in Gran Bretagna. Nella sua tesi di dottorato, ha studiato il modo in cui i composti del carbonio vengono trasportati dal suolo nei fiumi e nei laghi sotto forma di sostanze disciolte. È riuscita a dimostrare come questi composti vengono degradati dai microbi durante il loro percorso, come cambia la composizione delle molecole e quali sono gli effetti sulla capacità di stoccaggio del carbonio nei corpi idrici.

Un nuovo campo di ricerca con molte domande

"Ci sono molte domande interessanti e importanti su come la chimica e la vita interagiscono negli ecosistemi", afferma Erika C. Freeman. Per esempio, ci sono molecole chiave che sono particolarmente importanti per alcune funzioni dell'ecosistema? Esistono composti che, come una sorta di impronta digitale, forniscono indizi sulle condizioni dei corpi idrici? In che modo le numerose sostanze chimiche introdotte dall'uomo nei bacini di acqua potabile si influenzano a vicenda e come questo influisce sulla loro tossicità? Oppure: la diversità di molecole nei tropici, simile alla biodiversità, è particolarmente elevata? E se sì, in che modo la diversità chimica e biologica si influenzano a vicenda nel corso dell'evoluzione?

La pubblicazione intende incoraggiare la comunità di ricerca sugli ecosistemi ad affrontare queste domande. "Il nostro studio definisce il quadro di riferimento per un nuovo campo di ricerca", afferma Erika C. Freeman. "Questo quadro è importante per poter procedere insieme in modo più organizzato e chiaro".

Chiudere i ranghi tra chimica e biologia

L'articolo illustra come possono essere affrontati i problemi di "ecologia delle molecole". La determinazione delle singole molecole e della loro abbondanza in un campione è un requisito fondamentale. Tuttavia, sono importanti anche le analisi delle caratteristiche molecolari, come i gruppi chimici funzionali o la solubilità in acqua. Infine, è importante analizzare come le molecole interagiscono tra loro e con gli organismi dell'ecosistema. Tali indagini sono possibili solo attraverso una cooperazione interdisciplinare.

Tuttavia, Florian Altermatt è convinto che la stretta collaborazione tra chimica e biologia sia utile. Dopo tutto, l'importanza dell'ecologia delle molecole va ben oltre la ricerca di base. "In un'epoca di rapidi cambiamenti ambientali, questa conoscenza non è solo scientificamente interessante, ma anche importante per la nostra società", afferma. "Se comprendiamo come le molecole e gli organismi interagiscono negli ecosistemi, questo ci aiuterà a prevedere gli effetti del cambiamento climatico, a garantire la qualità dell'acqua potabile o a mantenere la produttività dell'agricoltura".