Una infiltrazione fredda (spesso indicata in letteratura scientifica con i nomi inglesi cold seep o cold vent) è un'area del fondale marino dove avviene l'infiltrazione di fluidi ricchi di acido solfidrico, metano e altri idrocarburi, spesso formando un lago sottomarino. Il termine fredda non significa che la temperatura dell'infiltrazione sia più bassa dell'acqua marina circostante; al contrario, la sua temperatura è spesso leggermente superiore p. 20. Questa terminologia è relativa alla temperatura molto più alta (almeno 60 °C) delle sorgenti idrotermali. Le infiltrazioni fredde costituiscono un bioma nel quale si trovano numerose specie endemiche.

Le infiltrazioni fredde sviluppano nel tempo una topografia unica, in cui le reazioni tra metano e acqua di mare creano formazioni rocciose costituite da carbonati, reazioni che possono anche essere dovute all'attività batterica. L'ikaite, un carbonato di calcio idrato, può essere associata all'ossidazione del metano nelle infiltrazioni fredde.

Tipi

I tipi di infiltrazione fredda possono essere distinti in base alla profondità, come shallow cold seeps e deep cold seeps. Le infiltrazioni fredde possono anche essere distinte in dettaglio, come segue:

infiltrazioni di petrolio/gas infiltrazioni di metano infiltrazioni di clatrato idrato infiltrazioni di salamoia formate nei laghi sottomarini pockmark vulcani di fango

Formazione e successione ecologica Le infiltrazioni fredde si verificano su fessure del fondo marino causate dall'attività tettonica. Il petrolio e il metano “filtrano” da queste fessure, vengono dispersi dai sedimenti ed emergono in un'area larga diverse centinaia di metri.

Il metano () è il componente principale del gas naturale; oltre ad essere un'importante fonte di energia per l'uomo, il metano costituisce anche la base dell'ecosistema delle infiltrazioni fredde. I biomi dei cold seep al di sotto dei mostrano tipicamente una specializzazione sistematica e una dipendenza dalla chemiotrofia molto maggiore rispetto a quelli della piattaforma continentale. I sedimenti delle infiltrazioni fredde profonde sono altamente eterogenei. Essi sostengono diversi processi geochimici e microbici che si traducono in un complesso mosaico di habitat abitati da una varietà di fauna specializzata sia eterotrofa che associata a simbionti.

Comunità chemosintetiche

La ricerca biologica nei cold seeps e nelle bocche idrotermali si è concentrata soprattutto sulla microbiologia e sui macroinvertebrati che vivono grazie ai microrganismi chemiosintetici. Un numero molto inferiore di ricerche è stato condotto sulla frazione bentonica di dimensioni minori come la meiofauna (<).

I primi organismi a sfruttare questa risorsa energetica del mare profondo sono stati i batteri i quali aggregandosi in biofilm presso le sorgenti fredde e metabolizzano il metano e l'idrogeno solforato (un altro gas emesso dalle sorgenti) per ricavarne energia. Questo processo di produzione di energia da sostanze chimiche è noto come chemiosintesi.

Durante questa fase iniziale, quando il metano è relativamente abbondante, si formano anche densi banchi di molluschi bivalvi vicino all'infiltrazione fredda composti per lo più da specie del genere Bathymodiolus. Questi molluschi non consumano direttamente cibo ma sono invece nutriti da batteri simbiotici che producono energia dal metano, similmente ai microrganismi che formano i biofilm. I bivalvi chemiosintetici sono costituenti importanti della fauna dei cold vent e sono rappresentati in questo ambiente da cinque famiglie: Solemyidae, Lucinidae, Vesicomyidae, Thyasiridae e Mytilidae.

L'attività microbica produce carbonato di calcio, che si deposita sul fondale marino e forma degli strati rocciosi che, durante un periodo che può durare fino a diversi decenni, attraggono vermi tubicoli della famiglia Siboglinidae, che si insediano e crescono insieme ai bivalvi. Come i bivalvi, i vermi si affidano a batteri chemiosintetici (in questo caso di specie che necessitano di idrogeno solforato invece che metano) per sopravvivere. Come in ogni relazione simbiotica, anche i vermi siboglinidi provvedono al sostentamento dei loro batteri, sottraendo all'ambiente l'idrogeno solforato. Il solfuro non proviene solo dall'acqua, ma viene anche estratto dal sedimento attraverso un esteso sistema di "radici" che ogni gruppo di vermi tubicoli stabilisce nel substrato duro di carbonato. Un gruppo di vermi siboglinidi può contenere centinaia di individui, che possono elevarsi di un metro o più al di sopra del sedimento.

Le infiltrazioni fredde non durano all'infinito. Quando il tasso di infiltrazione del gas diminuisce lentamente, i bivalvi avidi di metano (o più precisamente i loro simbionti batterici), che hanno vita più breve, iniziano a morire. In questa fase, i siboglinidi diventano gli organismi dominanti della comunità. Finché c'è una minima quantità di solfuro nel sedimento i vermi tubicoli possono continuare a sopravvivere. Si stima che gli individui di una specie di siboglinidi (Lamellibrachia luymesi) possano vivere per oltre 250 anni in tali condizioni.

Il filtro bentonico Gli organismi che vivono nelle pozze fredde hanno un grande impatto sul ciclo del carbonio e sul clima. Gli organismi chemiosintetici, in particolare gli organismi metanogeni (che consumano metano), impediscono al metano che risale dal fondale marino di essere rilasciato nell'acqua sovrastante. Poiché il metano è un potente gas serra, il suo rilascio potrebbe causare il riscaldamento globale quando i giacimenti di idrati di gas si destabilizzano. Il consumo di metano da parte degli organismi aerobici e anaerobici del fondo marino è chiamato "filtro bentonico". La prima parte di questo filtro è costituita dai batteri e dagli archei anaerobi che si trovano sotto il fondo marino e che consumano il metano attraverso l'ossidazione anaerobica del metano (AOM). Se il flusso di metano che attraversa il sedimento è troppo elevato e i batteri e gli archei anaerobi già ne consumano la quantità massima possibile, il metano in eccesso viene utilizzato da batteri aerobi liberi o simbiotici che si trovano al di sopra del sedimento sul fondo del mare. I batteri simbionti sono stati trovati in organismi come i vermi siboglinidi e i bivalvi che vivono nelle sorgenti fredde; questi organismi forniscono ossigeno ai batteri aerobici mentre i batteri forniscono l'energia che ottengono dal consumo di metano. La comprensione dell'efficienza del filtro bentonico può aiutare a prevedere la quantità di metano che fuoriesce dal fondale marino in corrispondenza delle infiltrazioni fredde, che passa nella colonna d'acqua e infine nell'atmosfera. Gli studi hanno dimostrato che il 50-90% del metano viene consumato nelle sorgenti fredde con biofilm batterici. Le aree con letti di bivalvi lasciano fuoriuscire meno del 15% del metano. L'efficienza è determinata da una serie di fattori. Lo strato bentonico è più efficiente con un basso flusso di metano e l'efficienza diminuisce con l'aumento del flusso o con la sua velocità. Il fabbisogno di ossigeno per gli ecosistemi delle infiltrazioni fredde è molto più elevato rispetto ad altri ecosistemi bentonici, quindi se l'acqua di fondo non ha abbastanza ossigeno, l'efficienza dei microrganismi aerobici nel rimuovere il metano si riduce. Il filtro bentonico non può agire sul metano che non attraversa il sedimento. Il metano può aggirare il filtro bentonico se gorgoglia in superficie o passa attraverso le fessure del sedimento. Questi organismi sono l'unico dispersore biologico di metano nell'oceano.

Confronto con altre comunità

Le sorgenti fredde e le sorgenti idrotermali degli oceani profondi sono comunità che non si affidano alla fotosintesi per la produzione di nutrimento ed energia. Questi sistemi sono in gran parte alimentati da energia derivata dalla chemiosintesi. Entrambi i sistemi condividono caratteristiche comuni, come la presenza di composti chimici ridotti (H2S e idrogenocarbonato), ipossia locale o addirittura anossia, elevata abbondanza e attività metabolica delle popolazioni batteriche e produzione di materiale organico autoctono da parte di batteri chemioautotrofi. Sia le bocche idrotermali che le infiltrazioni fredde mostrano livelli molto elevati di biomassa di metazoi in associazione a una bassa diversità locale. Questo si spiega con la presenza di dense aggregazioni di specie fondatrici e di animali epibionti che vivono in queste associazioni. I confronti a livello di comunità rivelano che la macrofauna di questi ambienti è molto diversa a livello di famiglia, sebbene condivida molti taxa dominanti tra gli habitat altamente solfidrici.

Tuttavia, le bocche idrotermali e le infiltrazioni fredde differiscono anche per molti aspetti. Rispetto alle più stabili infiltrazioni fredde, le bocche sono caratterizzate da temperature localmente elevate, forti fluttuazioni di temperatura, pH, concentrazioni di solfuri e ossigeno, spesso assenza di sedimenti, età relativamente giovane e condizioni spesso imprevedibili, come aumento e diminuzione dei fluidi emessi o eruzioni vulcaniche A differenza delle bocche idrotermali, che sono ambienti instabili ed effimeri, le infiltrazioni fredde emettono a un ritmo lento e stabile. Probabilmente a causa delle temperature più basse e della stabilità, molti organismi dei cold seep sono molto più longevi di quelli che abitano le bocche idrotermali.

Fine delle comunità di infiltrazione fredda

Infine, quando le infiltrazioni fredde cessano, anche i vermi tubiformi iniziano a scomparire, aprendo la strada ai coralli che si insediano sul substrato carbonatico ora esposto. I coralli non dipendono dagli idrocarburi che fuoriescono dal fondo marino. Studi su Lophelia pertusa suggeriscono che essi traggono il loro nutrimento principalmente dalla superficie dell'oceano. La chemio-sintesi gioca solo un ruolo molto piccolo, se non addirittura nullo, nel loro insediamento e nella loro crescita. Mentre i coralli di acque profonde non sembrano essere organismi basati sulla chemiosintesi, gli organismi chemiosintetici che li precedono permettono l'esistenza dei coralli. Questa ipotesi sull'insediamento delle barriere coralline di acque profonde è chiamata "teoria idraulica"Hovland M. (2008). Deep-water coral reefs: unique biodiversity hot-spots. 8.10 Summary and re-iteration of the hydraulic theory. Springer, 278 pp. . Pages 204-205.

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