Dalle caverne venezuelane alle rocce marziane: un nuovo paradigma per lo studio di ambienti estremi

Un’équipe internazionale di ricerca ha condotto per la prima volta un’analisi in situ di estromatoliti di silice nella remota caverna di Imawarì Yeutà in Venezuela

I risultati aprono nuovi orizzonti per la comprensione degli ambienti estremi sulla Terra e offrono strumenti metodologici rivoluzionari per l’esplorazione planetaria, in particolare su Marte.

Un contesto unico: le caverne di Imawarì Yeutà e gli estromatoliti di silice

Nel cuore dell’Auyán-tepuy, una delle formazioni geologiche più antiche e meno accessibili del pianeta, si trova la caverna di Imawarì Yeutà. Questo ambiente sotterraneo, caratterizzato da oscurità quasi totale, ristretto apporto di nutrienti e condizioni geochimiche estreme, ospita strutture rocciose rarissime: gli estromatoliti di silice. Tali formazioni sono costituite da opale ametista, una forma amorfa di silice, tradizionalmente associata alla crescita biologica in ambienti con luce solare. La loro presenza in un contesto completamente buio e isolato rappresenta un vero e proprio enigma per geomicrobiologi e astrobiologi.

Gli estromatoliti sono strutture sedimentarie lamellari formate dall’attività di comunità microbiche, in particolare cianobatteri, che colonizzano superfici e sedimentano strati di minerali. Sulla Terra, gli estromatoliti sono stati fondamentali per comprendere l’evoluzione precoce della vita, ma sono stati osservati soprattutto in contesti superficiali, come lagune poco profonde o acque salate costiere. Trovarli in una caverna tettonicamente antica e chimicamente isolata porta a interrogarsi su meccanismi di formazione alternativi e su possibili analogie con ambienti extraterrestri, in primis Marte.

La spedizione 2023: tecnologie portatili in ambienti estremi

L’esplorazione della caverna venezuelana è stata compiuta nel 2023 da un team di ricercatori italiani e venezuelani. La spedizione ha installato un campo base all’interno della caverna e ha utilizzato strumenti portatili mai impiegati prima in un contesto così remoto. Tra le tecnologie chiave adottate figurano:

• Camera iperspettrale, per analizzare in maniera non invasiva la composizione mineralogica delle formazioni di silice;
• Scanner laser 3D, per ottenere modelli tridimensionali ad alta risoluzione delle strutture estromatolitiche;
• Strumenti in grado di individuare attività microbica in vivo, consentendo l’identificazione di cellule metabolicamente attive sulle superfici rocciose;
• MinION, un sequenziatore di DNA portatile che ha permesso la lettura genetica direttamente all’interno della caverna, senza la necessità di trasportare campioni all’esterno.

Queste tecnologie, integrate in un approccio sperimentale multidisciplinare, hanno reso possibile una rivoluzione metodologica: analisi microbiologiche e genetiche realizzate direttamente in campo, in tempo reale, eliminando ritardi e rischi di contaminazione.

Risultati microbiologici e implicazioni geomicrobiologiche

La presenza di estromatoliti in ambienti superficiali è generalmente collegata a processi biologici guidati da microorganismi fotosintetici. Tuttavia, nel contesto oscuro della caverna di Imawarì Yeutà, la ricerca ha identificato comunità microbiche attive che sembrano partecipare alla formazione e alla crescita delle strutture di silice.

Attraverso analisi in situ è stata:

• determinata l’esistenza di cellule metabolicamente attive sulle superfici delle formazioni;
• identificata la presenza di gruppi batterici potenzialmente coinvolti nel metabolismo della silice;
• ottenuta la sequenza del DNA direttamente in caverna, consentendo la caratterizzazione genetica delle comunità microbiche presenti.

Questi risultati suggeriscono che i microbi possono guidare, o perlomeno influenzare, la deposizione di silice anche in condizioni di assenza di luce e con ridotti apporti energetici esterni. Tale scoperta amplia significativamente la nostra comprensione delle interazioni geologia-microbiologia, con importanti implicazioni per la ricerca di vita in ambienti estremi sulla Terra e su altri pianeti.

Estromatoliti di silice: nuove prospettive sulla formazione biologica

La formazione di strutture silicee in un contesto sotterraneo oscuro implica che i processi biologici non si limitano alle condizioni tradizionali di fotosintesi. Per decenni, gli estromatoliti sono stati studiati come testimonianze antiche della vita primordiale in ambienti illuminati dalla luce solare. Tuttavia, i dati raccolti nella caverna venezuelana mostrano che la biologia può orchestrare depositi minerali complessi anche in ambienti privi di luce.

Questo porta a due importanti considerazioni:

• i meccanismi biochimici che governano la deposizione di silice possono essere più versatili di quanto ritenuto finora;
• le comunità microbiche possono adattarsi a nicchie ecologiche estremamente ristrette, potendo influenzare processi geochimici anche in ambienti relativamente isolati.

Questi risultati richiedono una revisione delle nostre nozioni classiche su come e dove la vita microbica possa contribuire alla formazione di strutture minerali complesse.

Strumenti portatili e genetica sul campo: MinION e oltre

Un elemento chiave della spedizione è stato l’utilizzo di strumenti portatili avanzati per la genomica e la microbiologia. Il sequenziatore MinION, sviluppato da Oxford Nanopore Technologies, ha permesso di ottenere sequenze di DNA direttamente in caverna. Questo approccio elimina la necessità di trasportare materiali biologici in laboratori esterni, con evidenti vantaggi:

• Riduzione del rischio di contaminazione dei campioni
• Riduzione dei tempi tra raccolta e analisi
• Capacità di modificare la strategia di campionamento in tempo reale in base ai risultati preliminari

La possibilità di ottenere informazioni genetiche “in situ” rappresenta un salto metodologico fondamentale per gli studi in ambienti estremi, dove le condizioni logistiche rendono difficile l’uso di strumentazioni tradizionali.

Rilevazione iperspettrale e modellazione 3D

L’uso della camera iperspettrale ha permesso di analizzare non solo la composizione minerale delle strutture, ma anche di distinguere, in modo non distruttivo, differenti componenti chimici presenti nelle formazioni di silice. Questo tipo di tecnologia è stato integrato con scanner laser 3D, che ha prodotto modelli ad alta risoluzione delle strutture geologiche presenti nella caverna.

Queste tecniche combinate consentono:

• di associare caratteristiche morfologiche a specifici profili chimici;
• di creare mappe dettagliate delle formazioni, con dati utili per comprendere i processi di deposizione;
• di sviluppare un archivio digitale che può essere confrontato con strutture simili, su Marte o altri corpi planetari.

Implicazioni per l’esplorazione planetaria

Una delle motivazioni principali alla base di questa ricerca è la crescente somiglianza tra alcune strutture osservate in Imawarì Yeutà e quelle individuate su Marte dal rover Spirit. Su Marte, Spirit ha rilevato depositi di silice che, per composizione e morfologia, richiamano gli estromatoliti terrestri. Tuttavia, la natura biologica di tali strutture marziane è ancora oggetto di dibattito.

La ricerca venezuelana fornisce una base metodologica per l’interpretazione di dati planetari:

• strumenti portatili e ultra-leggeri come MinION e le camere iperspettrali possono essere adattati per missioni spaziali con capacità di analisi “in situ”;
• l’analisi iperspettrale con modelli 3D può aiutare a distinguere strutture geologiche da potenziali biofirma;
• la combinazione di dati geochimici, morfologici e genetici rappresenta un framework ideale per la ricerca di vita/esistenza passata su Marte e su altri corpi planetari.

Análogos marziani e terrestri

Gli “**analoghi marziani**” sono ambienti terrestri che riproducono, per certi aspetti, le condizioni ambientali di Marte: scarso apporto di energia, presenza di minerali silicei, stabilità di lungo periodo delle strutture geologiche. Le caverne di tepuy osservate in Venezuela rappresentano un ottimo esempio di ambiente analogico, in cui processi geomicrobiologici possono operare in condizioni analoghe a quelle che potremmo aspettarci su Marte.

Prospettive future di ricerca

Il lavoro pionieristico sviluppato nelle caverne di Imawarì Yeutà ha aperto numerose prospettive di ricerca, tra cui:

• Estensioni del metodo a altre caverne e ambienti sotterranei estremi per validare l’universalità dei processi osservati;
• Adattamento delle tecnologie portatili per missioni robotiche su Marte o su altri corpi planetari, con sistemi autonomi di rilevazione;
• Approfondimenti sui meccanismi microbici che guidano la deposizione di silice in condizioni di buio e limitata energia;
• Sviluppo di banche dati comparative tra strutture terrestri e marziane, con parametri chimici, morfologici e genetici integrati;
• Collaborazioni interdisciplinari tra astrobiologi, geologi, microbiologi, ingegneri spaziali per progettazioni di strumenti futuri.

Un ponte tra geomicrobiologia e astrobiologia

La ricerca realizzata nelle caverne venezuelane dimostra come l’integrazione di tecnologie portatili avanzate con metodologie multidisciplinari possa trasformare radicalmente il modo in cui studiamo gli ambienti estremi. Non si tratta solo di un progresso tecnico, ma di una ridefinizione dei limiti dell’analisi biologica e geologica:

• metodi in situ consentono di raccogliere dati reali in condizioni che una volta richiedevano laboratori attrezzati;
• strumentazioni miniaturizzate possono supportare missioni di esplorazione planetaria con capacità di rilevazione autoctona;
• ambienti terrestri estremi, come le caverne di tepuy, forniscono modelli analogici di inestimabile valore per comprendere potenziali forme di vita passata su altri pianeti.

Questa frontiera di ricerca non solo arricchisce la nostra comprensione della vita in condizioni estreme sulla Terra, ma apre la strada all’interpretazione scientifica dei dati raccolti da missioni spaziali. L’approccio sviluppato dalla partnership tra università italiane e istituzioni internazionali rappresenta un passo fondamentale verso la convergenza tra Earth science e planetary science, un ponte che collega la geologia, la microbiologia e l’esplorazione dello spazio in una visione integrata e dinamica.