di MariaPaola Landini
Il nostro pianeta si è formato circa 4,6 miliardi di anni fa e un miliardo di anni dopo sono comparse le prime tracce di vita: i batteri. In seguito, grazie ai batteri e alle loro innumerevoli funzioni metaboliche, il pianeta è diventato abitabile per la vita complessa. Oggi i batteri sulla terra sono diventati così numerosi che, nonostante le dimensioni minuscole, la loro massa totale è trentacinque volte quella di tutti gli animali messi assieme e mille volte il peso degli esseri umani.
Molte specie batteriche vivono in ambienti estremi, alcuni addirittura ostili alla vita come negli abissi oceanici a diecimila metri di profondità dove la pressione dell’acqua è di oltre mille bar, nell’ acqua bollente che fuoriesce dal centro della terra, nei tubi di lava, nelle profondità del sottosuolo, sotto i ghiacci dell’Antartide, in siti dove la concentrazione di acidi è così elevata da corrodere i metalli e perfino in mezzo alle scorie radioattive. Recentemente la scoperta di batteri capaci di sopravvivere grazie al consumo di idrogeno e di solfato aggiunge ulteriore credibilità alla ipotesi che forme di vita simili possano essere in grado di esistere anche in altri Pianeti come Marte che in un lontano passato era un pianeta ricco di acqua.
La ricerca microbiologica nello spazio è iniziata oltre 50 anni fa con l’intento di identificare l’eventuale presenza di forme viventi microscopiche nei pianeti raggiunti e soprattutto, per studiare la situazione ”batterica” presente nella stazione spaziale internazionale che, negli ultimi venti anni, è servita anche da osservatorio microbiologico grazie ad un laboratorio dotato di tutta la strumentazione per la identificazione microbica, compreso un sequenziatore genomico di ultima generazione.
Ci sono batteri sugli altri corpi celesti?
Al momento possiamo solo essere certi che se parliamo dellaluna la risposta è positiva, ma sono batteri di origine terrestre, arrivati sulla luna grazie all’ attività umana. Si tratta, ad esempio, dei batteri della popolazione microbica residente nell’ uomo, lasciati sulla superficie lunare durante le sei missioni Apollo durante le quali alcuni atronauti scesero sulla superficie lunare. Altri batteri ci arrivarono tramite la sonda israeliana Beresheet, che all’ inizio del 2019 raggiunse la superficie lunare schiantandosi al suolo per un problema tecnico. ll veicolo trasportava una “capsula biologica” con un campione di DNA umano, cellule animali e vegetali e migliaia di microrganismi disidratati. Nonostante l’impatto sia stato violento, secondo gli esperti è “estremamente probabile” che il carico non sia andato completamente distrutto. In che condizioni siano questi batteri non ci è dato di sapere anche se varie prove sperimentali fatte ricreando artificialmente condizioni simili a quelle presenti sulla luna indicano che molte specie batteriche sarebbero in grado di rimanere vitali a lungo sul nostro satellite.
D’altra parte, però, cinquant’anni di ricerche finalizzate a capire se la luna abbia ospitato o ancora ospiti forme di vita autoctone tendono ad escluderlo. La luna non possiede atmosfera, né acqua liquida né tantomeno forme di vita macroscopiche o microscopiche.
Diversa è la situazione di Marte. Il pianeta rossoè stato scelto come meta futura dell’ uomo per le sue condizioni ambientali che sono migliori di quelle degli altri corpi del sistema solare, ben lontane dal clima torrido di Mercurio e Venere, dalle gelide temperature di Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Condizioni, comunque, che non permetterebbero la vita umana per più di un minuto, senza adeguate protezioni. Proprio in quelle condizioni, però, varie specie batteriche, come Deinococcus radiodurans sono in grado di vivere.
Interessanti sono gli studi condotti sui batteri che vivono all’ interno dei tubi di lava terrestri che si sono formati in seguito ad eruzioni vulcaniche avvenute circa un migliaio di anni fa. Si tratta di specie batteriche precedentemente sconosciute che vivono utilizzando le sostanze chimiche presenti nelle rocce che compongono la parete dei tubi. Poiché la composizione di queste strutture laviche terrestri è uguale a quella delle analoghe strutture ritrovate su Marte, si può ipotizzare che anche i tubi di lava di Marte possano essere compatibili con la vita batterica. Quando su Marte si formarono i tubi di lava, il pianeta rosso aveva vulcani attivi, clima temperato, atmosfera e corsi d’ acqua. Tre miliardi di anni fa il pianeta si raffreddò, perse atmosfera e corsi d’ acqua. I batteri presenti nelle profondità del sottosuolo, ad esempio all’ interno dei tubi di lava, potrebbero aver avuto garantita la loro sopravvivenza.
Interessanti sono anche gli studi sul meteorite ALH84001 la cui roccia madre si era formata su Marte 4,5 miliardi di anni fa e fu poi catapultata nello spazio a causa di un catastrofico impatto meteorico avvenuto intorno a tre miliardi di anni fa. Dopo aver lasciato Marte il meteorite ALH84001 orbitò attorno al sole come un asteroide allontanandosene progressivamente per effetto delle forze di gravità esercitate dagli altri pianeti. Circa 13 mila anni fa fu catturato dalla gravità della terra e precipitò in Antartide. La roccia, di circa 2Kg, fu recuperata dalla squadra di cercatori di meteoriti statunitense e sottoposta ad una enorme serie di studi radiometrici, chimici e fisici che ne definirono la datazione e la provenienza. Inoltre un gruppo di ricercatori dell’Università di Stanford identificarono, all’ interno della roccia, tracce della presenza di batteri magnetofossili vissuti su Marte miliardi di anni fa. Nonostante lo scetticismo di altri ricercatori fu il Presidente Bill Clinton ad annunciare la scoperta in televisione.
Ci sono batteri sulla Stazione spaziale internazionale?
La Stazione spaziale internazionale (ISS), gestita come progetto congiunto di cinque diverse agenzie spaziali (l’ americana NASA, la russa RKA, l’ europea ESA, la giapponese JAXA e la canadese CSA-ASC) è dedicata alla ricerca scientifica. Il progetto che terminerà nel 2030 con il rientro della stazione sulla terra, ha molti obiettivi scientifici di tipo biologico, medico, fisico, chimico, astronomico etc… i cui risultati vengono pubblicati mensilmente dalle stesse agenzie spaziali. La stazione si trova in orbita terrestre bassa, a circa 400 Km dalla superficie terrestre, è visibile a occhio nudo da terra, è estesa quanto un campo da calcio, pesa 450mila kg e ruota intorno al pianeta a 28.000 km orari impiegando 90 minuti per fare un’orbita completa. Un equipaggio variabile da 2 a 7 astronauti la abita continuativamente fin dal novembre 2000 e nel tempo è stato sostituito varie volte.
Uomini e donne, per quanto puliti, non sono mai soli, nemmeno nello spazio, ma sono sempre accompagnati dalla propria popolazione microbica residente (microbiota) che popola qualsiasi distretto a contatto diretto o indiretto con l’ esterno. I microbioti dei vari distretti sono costituiti da miliardi di batteri appartenenti a migliaia di specie differenti che vengono eliminati nell’ ambiente tramite gli scarti metabolici. Nonostante le rigide procedure igieniche alle quali gli astronauti si devono attenere, i batteri dei microbioti umani popolano abbondantemente le superfici interne della stazione spaziale. Si conta infatti un numero di batteri variabile 7×103 a 8 ×1010 per metro quadro. In particolare le Enterobacteriaceae rappresentano il 50% dei batteri identificati, le Methylobacteriaceae ~13% e le Staphylococcaceae ~ 10%.
In generale la popolazione batterica della Stazione cambia con il tempo non solo perché gli equilibri tra i diversi batteri residenti si formano lentamente, ma anche perchè ad ogni cambio di equipaggio una nuova serie di batteri si unisce alle comunità microbiche residenti, trasportata all’interno dell’organismo dai nuovi astronauti, e sulla superficie degli oggetti e dell’equipaggiamento che portano con loro.
In molti casi, si tratta di batteri innocui. Inevitabilmente, però, in 26 anni di attività , anche diversi ceppi di batteri patogeni come Staphilococcus aureus hanno raggiunto l’ISS. E dopo migliaia di generazioni, l’ambiente a microgravità li ha cambiati, facendo loro acquisire caratteristiche uniche, tra cui una elevatissima resistenza agli antibiotici. A rivelarlo è uno studio pubblicato sulla rivista Microbiome da ricercatori del California Institute of Technology e dell’Indian Institute of Technology. In particolare i ricercatori hanno trovato 13 ceppi di Enterobacter bugandensis un batterio gram-negativo che si trova normalmente nell’intestino umano e che può trasformarsi in patogeno opportunista (ad esempio dando vita a infezioni dell’apparato urinario) con mutazioni di resistenza che li classificano all’interno del gruppo di patogeni ESKAPE, un insieme di agenti patogeni riconosciuti per la loro formidabile resistenza ai trattamenti antimicrobici. Del resto studi passati avevano dimostrato che i batteri coltivati sulla ISS hanno una frequenza di mutazioni decine di volte superiore rispetto ai medesimi presenti sulla terra. Non c’è da stupirsi, quindi, di questi risultati visto l’ambiente estremo della stazione spaziale.
L’ interno della ISS infatti è esposto a radiazioni (radiazioni cosmiche e UV-A solari) dieci volte maggiori rispetto a quelle che arrivano alla superficie terrestre, una forza di gravità molto minore rispetto a quella presente sulla superficie terrestre (10-3-10-6g: la cosiddetta microgravità) e alte concentrazioni di CO2. I raggi solari UVA possono generare mutazioni sia attraverso l’assorbimento di energia da parte del DNA e delle proteine, sia in modo indiretto inducendo radicali liberi che a loro volta interagiscono con DNA e proteine. La microgravità può essere coinvolta andando ad alterare le forze fisiche attorno alle cellule e modificando gli scambi tra materiale intra ed extracellulare.
Oltre alle mutazioni genetiche sono state documentate varie modificazioni morfo-funzionali come:
- Un aumento della fluidità della membrana di Escherichia coli che potrebbe essere responsabile della aumentata resistenza ad alcuni antibiotici.
- Una espressione differente, in Salmonella typhimurium, di oltre 100 geni alcuni dei quali coinvolti nella produzione dei fattori di virulenza e nella resistenza agli antibiotici.
- Un aumentato scambio interbatterico di materiale genetico nei Batteri Gram-positivi.
- Una aumentata produzione di biofilm da parte di batteri Gram-positivi e Gram-negativi.
Inoltre sono stati identificati quattro ceppi batterici precedentemente sconosciuti, appartenenti alla famiglia delle Methylobacteriaceae. Due ceppi sono simili ad altri già noti come batteri ambientali presenti nell’ acqua dolce. Il terzo era sconosciuto ed è stato denominato Methylobacterium ajmalii , dal nome del rinomato scienziato indiano della biodiversità: Ajmal Khan. Studi in corso ci permetteranno di capire se questa nuova specie può essere considerata un patogeno opportunista come altri Metilobatteri che sono ospiti frequenti degli ambienti acquosi, compresa l’ acqua potabile. La trasmissione negli ambienti sanitari di questi batteri è stata documentata spesso in pazienti fragili con cateteri a permanenza, dopo procedure di broncoscopia e endoscopia, in dialisi peritoneale ambulatoriale. In genere i sintomi causati da questi patogeni opportunisti sono lievi ma sono stati riportati anche casi di batteriemia, peritonite e polmonite. Il quarto ceppo è differente dai primi tre ed è stato denominato Methylorubrum per analogia genetica con ceppi simili già ritrovati sulla terra e noti per essere in grado di fissare l’ azoto cioè trasformare l’azoto atmosferico N2inammonio organico NH4+.
I batteri non sono solo adesi alle superfici della stazione spaziale, ma sono anche presenti nell’ aria. Infatti, in campioni di polvere prelevati dai filtri dell’aria della ISS sono stati identificati degli Actinobacteria, batteri costituenti principali del microbiota della pelle umana. Occasionalmente sono stati anche ritrovati batteri patogeni quali gli Staphiloccocus aureus, che si trova comunemente sulla pelle e nelle cavità nasali dei portatori sani (il 25% circa della popolazione adulta).
L’ ambiente estremo della ISS non è senza effetti fisiopatologici nemmeno sugli astronauti. Infatti, soprattutto se si parla di missioni di lunga durata (oltre i tre mesi), sono state diagnosticate decalcificazione e fragilità ossea, perdita muscolare, riduzione (temporanea o prolungata) delle capacità sensoriali e motorie, disturbi cardiovascolari e disturbi oculari. Inoltre è stata documentata una disregolazione temporanea del sistema immunitario che permette di identificare gli astronauti come persone affette da una particolare immuno-compromissione, situazione che li espone ad un aumento del rischio infettivo. Interessante è anche notare come i microbioti distrettuali (naso, bocca, intestino) dei diversi astronauti, durante la permanenza a bordo, subiscono modifiche e tendono a diventare molto simili tra loro anche se in partenza erano diversi. Se la permanenza insieme nella ISS dura sufficientemente a lungo, si forma un microbiota d’ equipaggio che influenza quello della intera stazione. Il microbiota dei singoli astronauti tornerà allo stato originario alcuni mesi dopo il rientro sulla terra.
All’ interno della ISS vi sono anche altri batteri che non fanno parte dei microbioti umani, ma sono batteri dell’ambiente terrestre (suolo e acqua). Questo è dovuto al fatto che la costruzione e il trasporto dei componenti strutturali della stazione e di tutta la strumentazione di bordo non è avvenuta in condizioni di sterilità e i batteri di diversi ambienti terrestri sono stati trasportati nello spazio dove hanno trovato condizioni accettabili per la loro vita. La stazione spaziale, rappresenta, quindi, un ecosistema microbico “unico” dove convivono batteri facenti parte della popolazione microbica normale di diverse persone, unitamente a batteri provenienti da svariati ambienti terrestri, gli uni e gli altri sottoposti a condizioni ambientali estreme.
Il catalogo completo dei microrganismi che vivono e proliferano sulla ISS è stato elaborato dalla NASA e pubblicato sulla rivista Microbiome.
Il catalogovieneregolarmente aggiornato al fine di tenere sotto controllo la sicurezza dell’equipaggio nei viaggi spaziali a lungo termine e anche valutare il rischio di contaminare pianeti e altri corpi spaziali quando e se saranno raggiunti.
Misure precauzionali al rientro degli astronauti sulla terra
Gli Astronauti che rientrano da una permanenza nello spazio devono trascorrere i primi 21 giorni all’ interno di una area di contenimento biologico. Durante questo periodo vengono scrupolosamente controllati al fine non solo di migliorare le loro condizioni di salute ma anche per prevenire una possibile contaminazione terrestre da rientro causata da batteri modificati dalle condizioni estreme presenti nella ISS ed assenti sulla terra.
Al ritorno degli Astronauti che erano sbarcati sulla luna durante le missioni Apollo, la NASA aveva preparato il Lunar Receiving Laboratory, una struttura complessa di 86 mila metri quadrati con un’ area per la quarantena degli astronauti e i veicoli e una zona coi laboratori dove gli scienziati compivano gli esperimenti sui materiali raccolti. Nel 2019 la struttura è stata demolita.
Questo è il poco che sappiamo ma il molto che ci stimola a proseguire le ricerche di Microbiologia spaziale. Si tratta di ricerche molto complesse che però sono indispensabili per capire come e se la convivenza uomo/batteri che si è evoluta in milioni di anni sulla terra potrebbe modificarsi in ambienti extraterrestri. I batteri sono e probabilmente saranno le uniche forme di vita che accompagneranno l’ uomo in giro per lo spazio negli anni a venire e potrebbero essere i primi colonizzatori di corpi spaziali distanti anni luce da noi che, dopo miliardi di anni di colonizzazione, potrebbero diventare abitabili anche per l’uomo.
Forse la scienza in certi argomenti incontra la fantascienza.
