La belle verte » 2011 » marzo
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Mar
22
2011
5

Fiuto per i metalli


Fu così che tutto cominciò: avevo contattato un docente esperto in questo campo per avere dei consigli. Dopo aver curato in modo maniacale il testo dell’email, sbagliai inavvertitamente il titolo e scrissi: “Consigli per analisi fiutochelatine”. Considerando che il docente ha un esperienza decennale in “fitochelatine”, la reazione poteva essere di arrabbiatura o di ilarità; la sua intelligenza spostò l’ago della bilancia verso la seconda.

E fu così che mi appassionai di queste molecole molto strane. Derivano infatti dal glutatione, un tripeptide (cioè formato da tre amminoacidi, nell’ordine: glutammato, cisteina e glicina). Il glutatione è già parecchio importante nelle piante, in quanto è un forte antiossidante (un po’ come la vitamina C) e quindi protegge le piante da vari tipi di disturbi. Più molecole di glutatione (da 2 fino a 11) si legano e formano le fitochelatine, che sono una specie di catene di molecole di glutatione unite l’una con l’altra. La sintesi delle fitochelatine, in vivo, richiede la presenza di glutatione ed è catalizzata dall’enzima g-glutammil-cisteina dipeptidil transpeptidasi (per gli amici, fitochelatina sintetasi), i cui geni sono stati recentemente identificati ed isolati nella pianta-modello Arabidopsis thaliana, nel frumento, nel lievito e sorprendentemente anche nel nematode (questo è un animale!) Caenorhabditis elegans.


Figura 1. In alto: sintesi delle fitochelatine. In basso: ione cadmio “chelato” dagli atomi di zolfo delle cisteine (fonte: Heldt, 2005).


Come spesso accade in Natura – ed estenderei questa legge anche ai comportamenti umani – l’unione delle singole parti è maggiore della semplice somma delle singole parti. Alla fine, quello che ne risulta ha proprietà completamente diverse da ciò che si aveva all’inizio (“teoria delle proprietà emergenti”, la chiamano). Vale in questo caso anche il “principio di massima economia”: il tutto parte da tre amminoacidi utilizzati normalmente per formare proteine, poi c’è la sintesi del glutatione, e infine delle fitochelatine. Ad ogni livello è associata una funzione diversa. Inoltre, la sintesi di fitochelatine è indotta dalla presenza di metalli nel suolo a partire dal glutatione, i cui livelli quindi diminuiscono.

Mentre il glutatione è un antiossidante, le fitochelatine hanno un compito completamente diverso: proteggono le piante dai metalli per loro tossici, come cadmio, argento, piombo, rame, mercurio e zinco. Gli ioni di questi metalli presentano quasi tutti delle cariche più o meno positive e, una volta entrati dal suolo nelle cellule della radice, vengono catturati (“chelati”, da cui il nome “fito-chelatina”) dalle cariche negative delle fitochelatine (presenti sugli atomi di zolfo dell’amminoacido cisteina). A questo punto, i metalli pesanti sono portati, a spese di energia, in un contenitore nella cellula (vacuolo) e là stipati come inoffensivi sotto forma di solfuri o acidi organici. Le fitochelatine tornano allora indietro bel citoplasma per catturare di nuovo un altro metallo; e il ciclo ricomincia. In questo modo, le piante rendono i metalli inoffensivi perché li conservano in una specie “sgabuzzino” cellulare.

Figura 2. Meccanismo di azione delle fitochelatine (fonte: Sanità di Toppi, 2002).


Le fitochelatine sono peptidi molto speciali. Prima di tutto, a differenza di molti peptidi, non sono sintetizzati sui ribosomi, ma nel citoplasma a partire da glutatione. Il gene che le esprime (fitochelatina sintasi) è quasi sempre attivo, sia in presenza che in assenza di metalli pesanti, sia in specie sensibili che in specie tolleranti. Ciò significa che la regolazione avviene probabilmente anche a livello post-trascrizionale e che non sono solo le fitochelatine a determinare la suscettibilità/tolleranza di una pianta ai metalli pesanti. Probabilmente c’entrano anche altri meccanismi, quali il trasporto e l’immagazzinamento nei vacuoli, e la sintesi di altri composti contenenti zolfo (es. metallotionine), la secrezione di essudati radicali, produzione di legno, sintesi di altri composti, ecc. ecc.

I metalli con cui le fitochelatine hanno più affinità sono argento, arsenico, cadmio, rame, mercurio, piombo e zinco. Le fitochelatine sembrano essere essenziali per l’omeostasi e il metabolismo per questi ioni, in particolare per il cadmio. A titolo di esempio, mentre metalli come rame e zinco, sebbene a basse concentrazioni, sono utili al metabolismo cellulare e risultano tossici solo ad alte concentrazioni, il cadmio è inutile per le piante ed è normalmente presente in bassissime concentrazioni nei suoli (0.3 µM), e quindi è molto tossico. I suoli inquinati da cadmio sono per il 99% opera dell’uomo (fanno eccezione i suoli serpentinosi, ad esempio); e l’inquinamento, si sa, è cosa recente. Le fitochelatine, d’altro canto, sono molto antiche. L’enigma si infittisce perché le fitochelatine sono attivate soprattutto dal cadmio in concentrazioni superiori a 1.0 µM, cosa che non si verifica praticamente mai se non in suoli inquinati dall’uomo. Sembra quindi che le fitochelatine diano tutto il loro vantaggio in suoli inquinati e non in condizioni naturali!

Figura 3. Metalli e loro affinità per le fitochelatine (fonte: Sanità di Toppi, 2002).


Sono state fatte varie ipotesi a riguardo. Ne azzardo due:

1)      Le fitochelatine e l’apparato per sintetizzarle sono molto molto antiche, probabilmente già presenti in un ancestore comune a piante, funghi e animali. In condizioni primordiali, le acque in cui questi organismi vivevano erano ricche di metalli pesanti, probabilmente provenienti da materiale magmatico, ed essi avevano la necessità di detossificare tutti quei metalli. Già alcuni composti solforati assolvevano questo compito, ma la comparsa delle fitochelatine fu un ulteriore vantaggio evolutivo.

2)      Le fitochelatine sono un esempio di “esattamento” (“exaptation”): nate per una funzione, alla fine ne hanno acquisita un’altra completamente diversa. La disattivazione di composti tossici (erbicidi, pesticidi, metalli pesanti) per mezzo di composti solforati è sempre presente, anche in maniera latente, nelle cellule. L’alta affinità per il cadmio potrebbe essere allora un puro caso, e il mantenimento delle fitochelatine – a che servirebbero, infatti, senza il cadmio? – dipende dal fatto che comunque hanno affinità per molti metalli. Si è ipotizzato anche che fungano da veicoli di ioni metallici per far funzionare alcuni enzimi, o ancora che permettano alle piante di accumulare metalli per essere poco appetibili agli insetti. Inoltre, la loro via biosintetica è, almeno all’inizio, comune a cisteina e glutatione, composti entrambi indispensabili sia a cellule vegetali che animali (se chiedete un passaggio per un posto, all’autista non costa niente lasciarvi prima se fa la vostra stessa strada).

Lo studio delle fitochelatine ha anche fini pratici. Si possono infatti usare le piante per bonificare siti inquinati da metalli pesanti (fitorisanamento). Questa è un’altra storia ma, se siete curiosi, guardate il filmato in basso. Dubito che le fitochelatine abbiano fiuto anche per l’uranio, ma forse il video rende lo stesso l’idea.


Grazie a loro, ho scritto:

Anonimo. Tesi di laurea disponibile su http://biochimica.unipr.it/home/tesi/att/37bc.testo.doc

Christopher S. Cobbett (2000) Phytochelatins and Their Roles in Heavy Metal Detoxification. Plant Physiology, July 2000, Vol. 123, pp. 825–832

Hans Lambers, F. Stuart Chapin III, Thijs L. Pons (2008) Plant Physiological Ecology – Second Edition. Springer Inc.

Hans-Walter Heldt (2005) Plant biochemistry – Third Edition. Elsevier Inc.

Luigi Sanità di Toppi (2002) Le difese delle piante dai metalli pesanti. Le Scienze 404: 88-92.

Neil Willey (2007) Phytoremediation. Humana Press Inc.

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Mar
10
2011
3

Non la prima, non la seconda…

 

Nel romanzo “The Tommyknockers”, Stephen King sfodera tutta la sua (ex-?) abilità di scrittore di fantascienza/horror. Protagonisti sono una specie di folletti, come al solito molto cattivi, e come al solito molto indifferenti alle sorti dei poveri umani malcapitati. La loro cattiveria è intrinseca, istintiva, e quindi a mala pena si accorgono di far del male. Sono come dei parassiti provenienti da molto lontano ed in grado di far mutare gli uomini, che assumono lentamente le loro sembianze, e di utilizzarli per il loro divertimento principale: combattere e uccidersi. I Tommyknockers (nome che gli umani danno loro perché la loro mente non sarebbe in grado di concepire appieno la loro essenza) sono “artigiani”: producono e utilizzano strambe invenzioni a partire da materiale semplice, come batterie, falciatrici, aspirapolveri, ecc., ma non conoscono i principi scientifici che stanno alla base del loro funzionamento e a non sanno gestirne gli effetti, naturalmente malvagi. Ecco allora che aprono varchi spazio-dimensionali i quali conducono ad angoli remoti dell’universo, scaricano i loro nemici nei peggiori di questi luoghi, usandoli a mo’ di ripostiglio, usano l’energia vitale e lo “spirito” degli esseri viventi (uomini e cani compresi) per alimentare i loro congegni e addirittura le loro astronavi, sembrano infine continuare ad esercitare effetti anche da morti!

Anche se truculento e con molti concetti mutuati da grandi scrittori di fantascienza quali Philip Dick (che trovava un varco multi-dimensionale anche in una marmitta montata male!), il libro è a mio parere molto bello. Non so cosa mi abbia attirato; certo intriga l’idea e la percezione dell’ignoto e del male, ma c’è anche qualcos’altro. King è bravo a far avvenire tutto in un’atmosfera di normalità. I cambiamenti che descrive sono lenti, oscuri per chi è all’esterno del meccanismo, sembrano produrre “esseri migliori” dotati di idee geniali. Il romanzo è analogo a quel sogno, che si fa di frequente, in cui si trova improvvisamente una stanza nuova che invece si credeva inesistente, o si scopre un passaggio segreto in un luogo della casa in cui mai ce lo saremmo aspettato. La fantasia della trama colpì anche Stephen Jay Gould, che lo citò nel suo bellissimo libro “La vita meravigliosa”. E da qui partiamo.

Gould scorse nel romanzo un esempio chiarissimo di contingenza della storia, concetto a lui tanto caro. E’ proprio King a chiarirlo in una pagina (vattelappesca ora la pagina, ma giuro che c’è!): gli alieni erano all’inizio della loro “colonizzazione”, avrebbero mutato tutti gli umani, erano come un nugolo di milioni di zanzare uscite da uno punto di uno stagno e pronte a colonizzare tutto, era impossibile fermarle tutte insieme in un sol colpo. Solo un caso improbabile avrebbe potuto impedire che tutte le zanzare morissero insieme e nel preciso momento della loro sciamatura; ad esempio, soltanto un fulmine in quel preciso momento e in quel punto di quello stagno avrebbe potuto farlo. Gli alieni del libro non avevano mai fallito prima d’ora, ma nella loro storia c’è l’imprevisto: un uomo insignificante, che solo per puro caso è immune alla loro influenza, un reietto, un ubriacone, un poeta, un contestatore anarchico. Sarà lui sconfiggere proprio loro, che avevano viaggiato attraverso l’universo, che avevano scherzato e soggiogato inconsapevolmente migliaia di specie in migliaia di pianeti diversi!

L’idea di base di King era la stessa di Gould, o viceversa. La vita sulla Terra avrebbe potuto seguire infinite storie diverse da quella attuale. La nostra, quella che vi permette di leggere questo post, è una delle tante, ma, se le cose fossero andate diversamente in momenti chiave della storia dell’evoluzione (e da qui il concetto di “contingenza”), noi non ci saremmo neppure. L’idea non era nuova, anche Jacob e Monod avevano parlato di caso e necessità, ma loro si riferivano principalmente a mutazioni a livello molecolare (DNA/RNA). Esse sono infatti casuali ma, una volta comparse, sono fissate per necessità se risultano positive nelle condizioni ambientali in cui quell’organismo si trova a vivere. E’ chiaro che tutta la baracca cozza con la religione: non siamo il fine ultimo dell’universo, siamo privilegiati, consapevoli, coscienti, solo per caso e non per volontà. La mancanza di un universo teleologico smarrisce ma, d’altro canto si può ritenere che il miracolo sia proprio questo: esserci in questo preciso momento, non importa come. La vita ha proceduto per tentativi, sbagli e successi, rami rimasti vivi più o meno a lungo prima di seccare, colli di bottiglia in cui una specie magari si stava per estinguere e poi ha inaspettatamente trovato il momento buono poco per risollevarsi prima della sua cancellazione definitiva dalla storia. La mia attenzione però si rivolge come sempre a quello che è più o meno il mio campo. Quando le piante hanno corso il rischio di non esserci affatto (e con loro, indirettamente anche noi)? Quanto hanno rischiato al momento in cui hanno colonizzato la terre emerse? Organi come i fiori erano una necessità o è un caso che ci siano?

Sono andato allora alla ricerca di questi punti critici e dei colli di bottiglia in cui il destino delle piante sarebbe potuto essere diverso. Ecco le mie conclusioni.

1)      Gli organismi unicellulari dotati di nucleo, progenitori di animali e piante, sono comparsi circa 2.5 miliardi di anni fa. Quelli pluricellulari circa 570 milioni di anni fa. La fotosintesi ha funzionato per la prima volta nei batteri, e ancora oggi i batteri fotosintetici (cianobatteri in primis) affiancano le piante in questo processo. Essi furono i primi ad arricchire l’atmosfera di ossigeno (quel poco che c’era era frutto di reazioni fotochimiche che scindevano le molecole di acqua) e per questo si pensa anche che batteri simili siano esistiti su Marte più di 3.9 miliardi di anni fa, considerando le sue quantità di ossigeno atmosferico non così basse se paragonate a quelle di altri pianeti del sistema solare. Tornando sulla Terra, tra 3.5 e 2.5 miliardi di anni fa, 13 grupponi di batteri fotosintetici, con differenti stili di vita, coabitavano nelle acque stagnanti. Possedevano pigmenti per catturare e trasformare l’energia solare e servirsene; la clorofilla era uno di essi. Se non fossero comparsi, tutto sarebbe andato diversamente, la vita sulla Terra avrebbe preso una piega unicamente eterotrofa (mangiando quello che c’era) e, all’esaurimento di questa “energia”, gli organismi viventi non sarebbero stati in grado di crearne altra dal sole e dall’acqua. La vita sarebbe finita dopo pochi “milioni di anni” dalla sua comparsa.

2)      L e prime piante fossili (Figura 1) sono datate 2.1 miliardi di anni fa. Erano simili a tubi spiralati, di spessore simile agli spaghetti n. 3 Barilla. Non si sa per certo se fossero unicellulari o pluricellulari, ma molti studiosi suppongono fossero dei sincizi, cioè cellulone con numerosi nuclei, frutto della duplicazione del materiale genetico non seguita da divisione cellulare. Questi sincizi ebbero molto successo ma si estinsero. Non ne è rimasta più traccia.

Figura 1. Fossili di probabili piante datati 2.1 miliardi di anni fa (fonte: A. Meinesz, 2008).

3)      Tra 2.7 e 0.57 miliardi di anni fa, l’ossigeno atmosferico era a malapena il 10%, contro l’attuale 20%, e nei primi strati di acqua la situazione era ancora peggiore (1% nei migliori dei casi). Alle piante unicellulari non conveniva poi tanto raggrupparsi in più cellule a formare organismi pluricellulari. L’ossigeno passa attraverso le membrane cellulari e quindi più superficie disponibile c’è e meglio è, ma se le cellule si uniscono, diminuendo così la superficie assorbente (rispetto al loro volume), dispongono di meno ossigeno. Il vantaggio doveva quindi essere un altro e risiedeva probabilmente nella divisione dei compiti tra le varie cellule, ma il tutto è da dimostrare. Fossili delle prime piante pluricellulari (probabilmente alghe) sono stati riscontrati in rocce di 1.2 miliardi di anni fa. Il passaggio allo stadio pluricellulare fu fondamentale e diede il via a tutte le piante che conosciamo oggi e al passaggio sulle terre emerse. La pluricellularità fu un caso o invece un passaggio obbligato? Avrebbe potuto non avvenire mai? Di sicuro, questo passaggio si verificò anche e contemporaneamente negli animali, quindi una “pressione selettiva” è dovuta pur esserci (lettori, aiutatemi a trovarla!).

4)      Circa 470 milioni di anni fa, nel primo Devoniano (se la storia della Terra durasse 24 ore, saremmo alle 10 di sera), le prime piante – ed i primi animali – conquistarono le terre emerse, a partire da quelle più umide. Furono i muschi i primi a farlo; essi probabilmente derivavano da alghe filamentose il cui sviluppo prevedeva la divisione di una cellula iniziale a formare una fila, che successivamente si ramificava e finiva con cellule specializzate (i primi sporangi). Sono stati rinvenuti fossili di quel periodo (420-470 milioni di anni fa); si trattava di Cooksonia (Figura 2), una pianta con sporangi terminali a forma di rene/fagiolo e contenenti centinaia di spore. Cooksonia probabilmente viveva in ambienti molto umidi, adiacente a ruscelli o su banchi sabbiosi, con un ciclo vitale breve e una maturazione rapida per sfuggire ai periodi secchi. Era simile agli odierni muschi appartenenti ai Lycopodiopsida. Non aveva tutte le protezioni contro i raggi ultravioletti che hanno molte piante odierne (in acqua le piante erano al riparo dalle radiazioni, ma in aria non più!), quali xantofille e antociani dai colori vivaci, ma possedeva pareti cellulari spesse e rinforzate (sclerenchima), che la proteggevano dall’ormai inevitabile disidratazione all’aria. Altre specie simili a Cooksonia convivevano negli ambienti umidi e costituivano una moquette verde, folta e bassa intorno ai corsi di acqua; il resto delle terre emerse era in gradazioni di grigio: su di esse non vi cresceva praticamente nulla e dominavano le rocce. Un(a) brava/o casalinga/o sarebbe andata/o fiera/o della pulizia di quella moquette, ma nel giro di pochi milioni di anni, nelle sue maglie si sarebbero annidati una pletora di artropodi terrestri. Oggi, si contano (a seconda delle classificazioni) 9 grandi gruppi di organismi eucariotici con clorofilla (le piante, insomma), 6 dei quali pluricellulari, includendo anche alghe brune, rosse e piante verdi. Curiosamente, negli animali e nei funghi, i gruppi pluricellulari sono solo 2 su 12, mentre il resto consiste in funghi unicellulari (lieviti in particolare) e protozoi. Le piante, quindi, per qualche motivo (casuale o necessario?) hanno preferito maggiormente la pluricellularità rispetto ad animali e funghi.

Figura 2. Fossili (fonte: Schweingruber, Börner and Shulze, 2006) e ricostruzione (fonte: A. Meinesz, 2008) di Cooksonia, una delle prime piante terrestri.

5)      Altri bivi avrebbero fatto cambiare completamente gli eventi se la storia avesse preso una strada piuttosto che l’altra. Nel tardo Devoniano (circa 400 milioni di anni fa) comparvero e si diffusero rapidamente le prime felci (Pteridofite), a discapito di muschi e licheni. Alla fine del Permiano (circa 250 milioni di anni fa), un’altra mazzata: sparizione di tantissime specie di piante e veloce diffusione delle Gimnosperme (conifere odierne). In contemporanea all’estinzione dei dinosauri, alla fine del Mesozoico (circa 70 milioni di anni fa), comparvero le Angiosperme e i primi fiori. Le prime foreste degne di questo nome non apparvero prima del Carbonifero (363-290 milioni di anni fa) vicino all’equatore (Figura 3), ma le specie arboree comprendevano solo felci, dato che le piante a seme dovevano ancora arrivare.

Figura 3. Foresta tropicale del Carbonifero (fonte: Schweingruber, Börner and Shulze, 2006).

In molti altri momenti, anche più recenti da quelli che ho descritto qua, gli eventi avrebbero potuto intraprendere un destino diverso, e ciò avrebbe influito sulla storia di noi uomini, che dalle piante dipendiamo completamente. Ma queste probabili storie sono davvero tante e per oggi è sufficiente questa.

 

Grazie a loro, ho scritto:

 

Alexandre Meinesz (2008) How Life Began – Evolution’s Three Geneses. The University of Chicago Press, Chicago and London.

Fritz H. Schweingruber, Annett Börner and Ernest-Detlef Shulze (2006) Atlas of Woody Plants Stem. Springer, Berlin, Heidelberg, New York.

Martin Ingrouille (2006) Plants: Evolution and Diversity. Cambridge University Press.

Stephen King (1987) The Tommyknockers, Le creature del buio. Sperling & Kupfer.

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