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Ott
19
2011
2

Le piante non possono “pensare e ricordare” ma non c’è niente di stupido in loro: sono incredibilmente sofisticate

Riporto qui in basso un articolo originale pubblicato su Scientific American, a mio parere molto bello. Potete tradurlo in italiano, probabilmente con qualche imperfezione dovuta a Google translator, utilizzando il menu a tendina sotto il titolo di questo post.

Buona lettura!


Plants cannot “think and remember” but there’s nothing stupid about them: They’re shockingly sophisticated

By Ferris Jabr | July 16, 2010


New research shows that plants “can think and remember,” according to a news story published this week.

Plants can transmit information “from leaf to leaf in a very similar way to our own nervous systems,” BBC News wrote. The article continues to assert that plants remember information and use “information encrypted in the light to immunize themselves against seasonal pathogens.”

Plants cannot think or remember. These borrowed terms do not accurately describe how plants function. However, like most organisms, plants can sense the world around them, process information from their environment, and respond to this information by altering their growth and development. In fact, plants respond to changes in their environment in ways that many would find surprisingly sophisticated, although botanists have known of these abilities for centuries.

“A big mistake people make is speaking as if plants ‘know’ what they’re doing,” says Elizabeth Van Volkenburgh, a botanist at the University of Washington. “Biology teachers, researchers, students and lay people all make the same mistake. I’d much rather say a plant senses and responds, rather than the plant ‘knows.’ Using words like ‘intelligence’ or ‘think’ for plants is just wrong. Sometimes it’s fun to do, it’s a little provocative. But it’s just wrong. It’s easy to make the mistake of taking a word from another field and applying it to a plant.”

The BBC News story is based on a study set for publication in The Plant Cell. Co-author Stanislaw Karpinski of the Warsaw University of Life Sciences in Poland recently presented his research at the annual meeting of the Society for Experimental Biology in Prague, Czech Republic.

The story maintains that, according to the study, stimulating one leaf cell with light creates a cascade of electrochemical events across the entire plant, communicated via specialized cells called bundle-sheath cells just as electrical impulses are propagated along the nerve cells in the nervous system of an animal. The researchers found that these reactions continued several hours later, even in the dark, which they interpreted to indicate a kind of memory.

This is like saying that because the surface of a pond continues to ripple once struck by a pebble, the water is “remembering” something. The analogy doesn’t quite hold. But plants do produce electrical signals and the function of these signals in response to light is the real focus of the new study—the most recent contribution to a growing body of work about electrical signaling in plants.

Although plants don’t have nerves, plants cells are capable of generating electrical impulses called action potentials, just as nerve cells in animals do. In fact, all biological cells are electrical.

Cells use membranes to keep their interiors separate from their exteriors. Some very tiny molecules can infiltrate the membranes, but most molecules must pass through pores or channels found within the membrane. One group of migratory molecules is the ion family: charged particles like sodium, potassium, chloride and calcium.

Whenever different concentrations of ions accumulate on opposite sides of a cell membrane, there exists the potential for an electrical current. Cells manage this electric potential using protein channels and pumps embedded in the cell membrane—gatekeepers that regulate the flow of charged particles across the cell membrane. The controlled flow of ions in and out of a cell constitutes electrical signaling in both plants and animals.

“In any cell you have a membrane,” explains Alexander Volkov, a plant physiologist at Oakwood University in Alabama. “You have ions on both sides in different concentrations, which creates an electrical potential. It doesn’t matter if it’s an animal or plant cell—it’s general chemistry.”

Because certain types of plant cells have some features in common with nerve cells—they are arranged in tubular bundles, they harbor ion channels in their membranes—some botanists have suggested that plants propagate action potentials along connected networks of these cells, akin to signaling in an animal’s nervous system. But most botanists agree that plants don’t have networks of cells that have evolved specifically for rapid electrical signaling across long distances, as most animals do. Plants simply don’t have true nervous systems.

So if plants aren’t using electrical signals in nervous systems like animals, what do they do with the electrical impulses they produce? In most cases, plant biologists don’t know. “We’ve known about electrical signaling in plants for as long as we’ve known about it in animals,” says Van Volkenburgh. “But in most plants, what those signals are for is an open question.” The notable exceptions to this mystery are plants that rely on electric signals for rapid movement, like the carnivorous Venus flytrap or Mimosa pudica—a plant whose leaves fold up when brushed to discourage herbivores (see movie below).




In recent years, some research has suggested that electrical signaling in plants modifies and regulates all kinds of biological processes in plant cells. Electrical signals, some botanists have argued, power more than the snapping traps of the exotic Venus flytrap—they are just as important for the grass growing on your lawn. Measuring electrical impulses in plants is easy, but linking them to specific plant functions is much more difficult and the plant biology community is nowhere near reaching a consensus about how most plants use those impulses.

Karpinski’s new study attempts to link light-activated electrical activity to immune defenses in plants. In the new study, researchers infected the leaves of Arabidopsis thaliana (thale cress) with a bacterial pathogen either one hour before exposing the plant to a strong dose of blue, red or white light or one, eight or 24 hours after exposing the plant to light. Plants treated with light before infection developed resistance, but plants infected without any preceding illumination showed no resistance.

When exposed to strong light, Karpinski explains, plants absorb more energy than they can use for photosynthesis—but he doesn’t think plants waste this excess energy. Karpinski says plants convert the energy to heat and electrochemical activity that can later trigger biological processes, like immune defenses. “It seems that plants can raise resistance against pathogens only using their light absorption system,” Karpinski says. “We found that electrochemical signaling is regulating this process. Electrical signaling in plants is known from the time of Darwin—it is nothing new. But what was not described is that light can induce action potentials. We have found there is a different signaling for blue, white and red light. If plants can signal differently different wavelengths of light, then plants can see colors as well.”

Karpinski thinks plants generate different electrical impulses when different wavelengths of light hit their leaves and that plants use these impulses to somehow regulate their immune defenses. He even speculates that plants can use this ability to battle seasonal pathogens. But exactly how this mechanism would work is unclear.

The role of electrical signaling in most plants remains largely mysterious and unexplained—and certainly does not warrant claims that plants can “think and remember.” But there are plenty of well-documented examples of the sophisticated ways in which plants change their own growth in response to changes in their environment.

Just think about the fact that roots always grow in the direction of gravity and shoots always grow toward the light—even if you turn a plant on its side. Biologists have worked out that these processes, called gravitropism and phototropism respectively, rely on hormones that change the rate of cellular growth in plant tissues: If one side of a root or shoot is growing faster than another, it’s going to bend. Climbing plants, like vines and creepers, use similar mechanisms to respond to touch, clinging and curling around the first pole, wall, or branch they contact.

Plants also process information from their environment and change their growth based on that information. “Some plants flower as the days are getting shorter and others as the days are getting longer. They ‘know’ that the days are getting longer or shorter by having tabulated reactions to each day and night length,” says Van Volkenburgh. “The way this works is based on the circadian rhythm of plants. People don’t realize plants have a circadian rhythm just like animals do. Plants have all kinds of movement based on their circadian rhythms.”

Young sunflowers and other young plants’ flowering tops and leaves can trace the sun’s arc from East to West—a phenomenon called heliotropism that ensures maximum light exposure during a crucial period of growth. Then there are more startling examples of plants changing in response to their environment. Consider the Telegraph plant: a peculiar Asian shrub with tiny satellite leaves that constantly swivel to monitor the light in its environment. The satellite leaves pivot so dependably and swiftly that you can actually observe them moving in real time (see movie below). Their perpetual dance tracks the movement of light over the course of the day, adjusting the position of the primary leaves to absorb as much light as possible.




With such surprising examples of plants’ abilities to process information and adapt to their environments, there’s no need to try and endow plants with intelligence, thought, memory or other cognitive abilities they do not truly possess and do not need. They’re plenty smart already.

COMMENTI 2   |   Scritto da Horty in:  Scienza e fantascienza |
Ott
12
2011
1

Mangiare (e imitare) la foglia

Questo post partecipa alla V edizione del Carnevale della Biodiversità, dal titolo

AI CONFINI DELLA REALTA’: NICCHIE ESTREME

Si parlerà quindi di nicchie ai confini della vita e della realtà, colonizzate da “infinite forme bellissime”.

Il blog ospite questa volta è Theropoda, dove potrete trovare commenti e riassunti di tutti i post di questa edizione del Carnevale.


Non so se questo post riguarda proprio nicchie estreme, un concetto che mi ricorda un po’ gli archeobatteri estremofili o le strane specie scoperte in remote località da zoologi e botanici i cui genitivi finiscono nelle nomenclature binomie, ma di sicuro parlerò di nicchie inconsuete e strane.

Quello degli insetti-foglia è un classico caso di mimetismo criptico, che si verifica quando una specie tende a nascondersi nell’ambiente, assumendo in questo caso le colorazioni e le forme di foglie delle piante che frequenta. Mi sono sempre chiesto però quali fossero queste piante.

Ho cominciato allora ad approfondire la questione. Ho trovato che il più famoso e grande insetto foglia è Phyllium giganteum (12 cm massimo, non vi spaventate), un fasmoideo (il genere comprende circa 3000 specie) della famiglia dei Phylliidae, molto abile nel mimetizzarsi tra il fogliame, data la particolare e incredibile somiglianza. Mi chiedo quanto tempo abbia impiegato la natura a selezionare una meraviglia simile.

Phyllium giganteum


Ancora più stupefacente è Phyllium bioculatum, il quale imita alla perfezione, e forse meglio del precedente, una foglia mangiucchiata da insetti fitofagi, con i classici lembi marroncini dovuti alle reazioni ossidative di ipersensibilizzazione.

Phyllium bioculatum


Extatosoma tiaratum, invece, originario dell’Australia e Nuova Guinea (dove è conosciuto con il nome di Macleay’s spectre, dal nome del tassonomista che per primo la catalogò) e che raggiunge i 15 cm di lunghezza, imita invece una foglia secca, dal suo tipico colore marroncino e dalla forma accartocciata (qui sotto lo vedete ondeggiare come una foglia al vento).


Questo insetto è probabilmente un campione mondiale di mimetismo perché le sue uova sono simili ai semi di acacia, e così sono raccolte dalle formiche tropicali Leptomyrmex darlingtoni, che le portano nel loro formicaio, il quale fungerà da incubatore grazie alle elevate temperature e umidità presenti al suo interno (vedi il video qui in basso).


Ma non è finita: le neanidi (stadi giovanili) di 1a età, nere con il capo rosso, mimano l’aspetto delle formiche ospitanti, in modo che queste non organizzino una rivolta popolare dopo aver scoperto l’inganno. Alla muta successiva (i fasmoidei fanno 8-12 mute prima di diventare adulti), quando la neanide è in forze e in grado di controbattere l’esercito di formiche, essa cambia colorazione, che diventa quella tipica degli adulti (sono insetti eterometaboli, con piccoli simili agli adulti).

Tutte queste specie di insetti presentano solitamente uno spiccato dimorfismo sessuale, cioè con maschi alati e più piccoli, al contrario delle femmine che spesso hanno solo abbozzi di ali e raggiungono dimensioni maggiori. Queste ultime, grazie anche all’appiattimento delle zampe e alla loro posizione con il capo rivolto in basso, all’asse del corpo che si dispone perpendicolarmente rispetto al ramo su cui si poggiano, al loro lieve ondeggiare al vento soprattutto quando disturbate, e al loro fingersi morte (tanatòsi) in presenza di pericoli (alcune addirittura si lasciano cadere dai rami proprio come le foglie quando sono attaccate), sono praticamente indistinguibili dalle foglie vere. Non per niente, alcune specie sono chiamate “walking leaves”, cioè “foglie che camminano”. Inutile sforzarsi di pensare di cosa si nutrano gli insetti foglia. La risposta è: di foglie. Lo fanno velocemente e voracemente, affinché i predatori non vedano i “buchi” che hanno prodotto e le pile degli inevitabili escrementi; e poi passano da una foglia all’altra durante la notte, quando i predatori non li vedono. E qualche volta un mozzico se lo danno anche tra di loro, perché loro stessi non si accorgono dei loro cospecifici mimetizzati (Markle, 2008).

Costumini da foglie verdi o secche sono molto diffusi anche in numerose famiglie di farfalle (Geometridi, Sfingidi, Saturnidi, Lasiocampidi, Nottuidi e Pieridi) e mantoidei (vedete sotto la perfetta imitazione delle nervature delle foglie della mantide Deroplatys truncata).

Deroplatys truncata


Le farfalle tropicali dei generi Kallima, Anaea e Doleschallia presentano le ali differentemente colorate sulla superficie dorsale e ventrale: in particolare alle colorazioni molto appariscenti della pagina superiore si contrappone la colorazione criptica (marrone-grigia-nera) della parte inferiore, con sottili disegni che imitano le nervature delle foglie.

Kallima inachus (con le ali dispiegate in alto e con le ali chiuse in basso)


 

Anche alcuni ortotteri non scherzano a mimetismo fogliare (vedete il video qui sotto)


E ancora… ci sono i pesci foglia dell’Amazzonia (Monocirrhus polyacanthus). Questi vivono in acque immobili e imitano una foglia secca sul fondale, con addirittura l’estremità della mandibola munita di un’appendice molle che imita perfettamente il picciolo spezzato di una foglia, e un movimento ondeggiante che non abbandonano nemmeno in presenza di predatori. E poi ci sono anche anfibi foglia (vedere qui per credere) e uomini foglia (scherzo sui secondi!).

Monocirrhus polyacanthus (pesci foglia). Qui sotto un suo video.



Dopo questo lungo giro, torniamo alla domanda iniziale, più consona alla mia formazione di biologo vegetale (scusate lo sconfinamento nell’entomologia!). Questi benedetti organismi, per assumere la sembianze di una foglia, devono essere pur stati selezionati dall’ambiente in cui si sono originati. Di sicuro però un modello da imitare c’è stato, perché le forme degli adulti, almeno nella forma, sembrano “specifiche” per determinati tipi di foglie.

E’ per questo che Extatosoma tiaratum imita molto bene le foglie secche di eucalipto, dalla loro forma lanceolata e accartocciata, di cui si nutre, e che Phyllium giganteum somiglia in modo impressionante alle foglie di castagno, di rovo e di rosa da lui mangiate. In parole povere, il colore e la forma degli insetti foglia somiglia fortemente proprio alle foglie delle piante sulle quali vivono e si nutrono, e che fanno parte della loro nicchia. Ma è anche vero che in mancanza delle “foglie natie”, gli insetti foglia si adattano abbastanza bene a mangiare foglie di altre piante.

Eppure, come spesso accade in natura, un certo margine di controllo c’è. Ad esempio, non tutti i cambiamenti cromatici sono irreversibili. Alcune specie insetti foglia (soprattutto quelli del tipo “foglia morta”) diventano più scuri di notte, a causa della migrazione di pigmenti scuri (es. xantommatina e ommina) mediata dai microtubuli nella porzione più apicale delle cellule epidermiche. Gli insetti “foglia viva” adeguano il loro colore a seconda del background del loro ambiente operativo in circa 5 giorni: ad esempio, su sfondo verde, dosano in giuste proporzioni pigmenti neri (melanina nella cuticola e un altro pigmento nero nell’epidermide), insieme al giallo e all’arancio nell’epidermide.

Leggo che la tassonomia dei Fasmoidei – a cui appartengono sia gli insetti foglia che quelli stecco – è molto incerta, frammentaria e complicata (Resh e Cardé, 2003), quindi mi affido alle poche notizie che ho trovato. A quanto pare, i fossili più antichi di Fasmoidei risalgono al medio Eocene (tra 44 e 49 milioni di anni fa) e si estendono fino al Miocene, quando le Angiosperme arboree erano già abbondanti. Del resto, la loro adattabilità mi fa pensare a cambiamenti più recenti. Non so se il processo sia stato lungo o breve, ma considerando che le mutazioni sono presenti soprattutto nelle appendici (zampe e ali) e che gli insetti sono animali fortemente metamerici (la forma di foglia è dovuta per lo più all’addome modificato), relativamente pochi geni possono essere stati i responsabili di questi cambiamenti. Sono curioso di sapere se anche in origine abbiano imitato foglie, e se sì quali, e quali sono state le prime modifiche, e se queste hanno dato loro un vantaggio evolutivo immediato. E qui, per mancanza di dati, competenza e tempo, mi fermo.

 

Grazie a loro, ho scritto:

 

G.L. Pesce Zoologia Home Page – Insetti Stecco (1999-2008) http://www.luciopesce.net/zoologia/stecco.html

L’immancabile Wikipedia. http://it.wikipedia.org

R.F. Chapman (1998) The Insects – Structure and Function. 4th edition. Cambridge University Press, UK

Sandra Markle (2008) Stick Insects. Master of defense. Lerner Publications Company, MN, USA

Vincent H. Resh e Ring T. Cardé (2003) Encyclopedia of Insects. Academic Press, Ca. USA

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