Why insects are so successful on the earth

 

Why insectes are so successfull in the earth

                 In springtime Nature wakes up!!! We like to look at the new tender leaves on the trees, at the flowers with their different shapes and colours and at butterflies flitting among the flowers but………all other insects wake up too!!

So we can find plants in our balcony or in our greenhouses, those plants we water and cultivate with great care, infested with aphids; when we go out in gardens we have to protect us from mosquitos and, even in our houses we are not safe: we can have visitors like ants or other insects. Even butterflies that we like to observe, often damage our fruit trees. Indeed the “worms” we many times found in fruits really are larvae born from butterfly eggs put down on the flowers.

So a question arises: why do insects exist?

I could draw up a list of the different roles, in some way useful for the environment, played by the insects like, for example, pollination. Nevertheless I prefer to stress on that the ideai s definitely wrong  according to which everything in the earth - animals, plants, ground- is first of all (if not completely) at the human beings disposal and exist only for their advantage.

Nature proceeds independently from human beings and all the organisms at present existing originated through a very long evolution. Evolution is not a consistent process, on the contrary it goes on following distinct branches. So if mammals, including human beings, represent the top of the vertebrate evolutionary branch, insects must be 
 considered at the top of  the invertebrate  branch.

Insects were the first animals able to  settle terrestrial environments and during their evolution ( started more than 300 million years ago) they learned to exploit every ecological niche in different habitats: they are found everywhere even in extreme habitats like deserts and glacial regions.

Did you know that more than 70% of animal species at present existing are insects?

 Why are they so successful?  
Thank to the combination of the following efficient 

characters:

1.     Being small they are suitable for mini-habitats inaccessible for bigger animals.

2.     A lot of them are able to fly. Flight makes easy to reach the food or the partners and is useful in avoiding predators or competitors. Many insects have compound eyes through which they have a concurrent vision in every direction and detect separately hundreds of different light impulses. In this way they can easily survey during the flight the fast  environmental variations.

3.     Insects have segmented bodies supported by exoscheletons, an hard but light outer covering made mostly of  chitin that allow limb articulation and form different buccal apparatuses through which they are able to perforate, cut or to crush even very hard materials lake wood. In this way they utilize different food resources not accessible for other animals.

4.     Exoscheleton is often covered by a thick layer of a waxy material to avoid dehydration: without this layer a grasshopper in a field of wheat under summer sun would certainly die!

5.     Insects evolved a well working respiratory system consisting of internal tubes and sacs through which gases either diffuse or are actively pumped, delivering oxygen directly to tissues that need it via their trachea. Since oxygen is delivered directly, the circulatory system is not used to carry oxygen, and is therefore greatly reduced. Air is taken in through openings on the sides of the abdomen called spiracles.

6.     The majority of insects  undertake Metamorphosis  to pass from one stage, usually a larva or nymph stage, to an adult stage. In many cases they can in this way they exploit resources in different habitats. Mosquitos, for example, uses aquatic resources as larvae and terrestrial in the adult stage.

7.     A further successful device is the rapid multiplication they perform thank to a short biological cycle (they are small!!!) and a large reproductive potential. To have an idea Drosophila, thefruit fly used for genetic studies, in optimal condition (i.e. in the laboratory is able to develope 25 generations per year. Considering that each female produces up to 100 eggs the number of flies at the end of the 25th generation would be exorbitant!!!!

    

Luckily optimal conditions are rare in nature. Anyway the consequence of this rapid reproduction is a rapid evolution; thus the insect generations derived from those more resistant to adverse environmental conditions and to our insecticides, are every year more fortified.

Bad” Prokaryotes and “good” Prokaryotes

 

Prokaryotes are single-celled organisms lacking a membrane-bounded nucleus (karyon), mitochondria, or any other membranous organelle.

            Prokaryotes are so many that the number of prokaryotic cells in the world is absolutely larger than that of eukaryotic cells!

            Even in each of us, human beings, there are much more prokaryotic than eukaryotic cells!

Very likely you are thinking now: 

“but prokaryotes are bacteria, the microorganisms causing so many diseases. So they are dangerous and we have to fight them and possibly eliminate them!!!!

Yes, you are right: among prokaryotes there are many pathogenic bacteria. However these “bad” prokaryotes are only a part of the prokaryotes at present we know.

 A great many of them are not dangerous and, in many cases, are even essential for our life:

they are “good” prokaryotes!!!

They work for us!!!!!!!

    1)   Prokaryotes were the first living beings and the life on our earth, in the present form and biodiversity, would have not arisen and would not exist without them (see the post “the first atmospheric pollution).

    2)    Biogeochemical cycles and nutrient recycling would be unfinished or even impossible without prokaryotes. Remember that production in the open sea is only performed by microorganisms, a great part of them Prokaryotes. Thus they play an important role in supporting the life of all marine organisms.  (See the post “Nature big recycler”)

    3)   Prokaryotes are able to use as energetic source elements and substances that cannot be utilized by other living beings and render them accessible. In some environments, where the sun light cannot arrive (i.e. deep sea or underground) and where obviously photosynthesis is not possible, prokaryotes sustain the life trough different chemiosynthetic processes.

     4)   Prokaryotes can survive in extreme environments where eukaryotes would succumb: they can be found in hot water up to  121°C  and in cold lakes under kilometers of ice in Antarctica.  They are able to live in extremely acid or basic environments. In addition  all natural products and,  thankfully, many man productions can be degraded and recycled by bacteria.

     5)   Many so called superior organisms, man included, would not survive for a long time without their endosymbiotic bacteria, for example the so called intestinal flora.

These few considerations are less than crumbs of knowledge about the wide Prokaryotic world!!!

and….consider that, according to the scientists, prokaryotes we know represent only a little part of those existing in the earth!!!!!!

BIOTECNOLOGIE: DOVE CI PORTERANNO?

 

Biotecnologia" indica qualsiasi applicazione tecnologica che utilizza sistemi biologici, organismi viventi o loro derivati, per realizzare o modificare prodotti o processi per un uso specifico.

 

Da quando l’uomo si è abituato alla vita stanziale ha cominciato ad adattare la natura alle sue esigenze. Per esempio coltivatori ed allevatori hanno fin dall’antichità applicato la selezione artificiale di piante e animali. In un certo senso con la selezione artificiale non ci si oppone alla evoluzione basata sulla selezione naturale, ma  si collabora con essa.  Spesso però l’uomo usa dei criteri suoi, indipendenti dal rapporto delle specie con l’ambiente e delle specie tra loro. Ricordo che mi colpì, quando ho iniziato a studiare genetica, l’esempio delle pecore dalle zampe corte. Si trattava di una particolare razza di pecore inglese che, una volta importata in Australia, è stata selezionata in modo preferenziale: la maggior parte delle pecore australiane ancora oggi appartengono a questa razza (FIG.). Probabilmente era utile per i proprietari degli enormi allevamenti australiani disporre di pecore con le zampe corte perché tali pecore non erano in grado di saltare i recinti. Però, con selezioni massicce come queste, si riduce la biodiversità che è importante per l’adattamento delle specie  alla mutevolezza dell’ambiente.

Ho pensato a queste povere pecore quando l’estate scorsa le praterie australiane sono state devastate dagli incendi: pecore con zampe più lunghe avrebbero forse potuto trovare scampo!!

 Lo sviluppo della scienza nell’ultimo secolo ha proceduto in modo vertiginoso specialmente grazie alla scoperta del DNA,  alla sua sempre maggiore conoscenza, alla possibilità di sequenziarlo, addirittura modificarlo e costruirlo sinteticamente. Si sono così aperte possibilità enormi applicabili a vari aspetti della vita.

Essendo una naturalista e non un medico il primo problema su cui mi sono trovata a ragionare è quello degli OGM.

Per OGM  (Organismi Geneticamente Modificati) si intendono tutti quegli organismi viventi i cui DNA, tramite operazioni di ingegneria genetica, hanno subito variazioni.  

La tecnica OGM viene essenzialmente impiegata per gli esseri viventi vegetali, a scopo alimentare e industriale.

La loro introduzione risale ai primi anni 80 del secolo scorso e fin dall’inizio ha destato grande curiosità, ma anche notevoli critiche e dubbi. I più forti dubbi derivavano dalle non prevedibili conseguenze che l’ingerenza di prodotti alimentari geneticamente modificati potrebbe avere nel nostro corpo,.  In quell’epoca ho  partecipato a vari dibattiti e la domanda prevalente era sempre questa “Fanno male alla salute?”.  Ormai, dopo 40 anni, gli scienziati sembrano tutti d’accordo che gli OGM non comportano rischi per la salute umana e animale, mentre portano numerosi vantaggi come la riduzione dei tempi di crescita dei raccolti e la riduzione dell’uso di pesticidi.

Questo ci insegna che un rifiuto a priori dell’introduzione di novità biotecniche non è un atteggiamento corretto. Ma la richiesta della massima cautela possibile è fondamentale.

In effetti, come naturalista, continuo ad avere qualche riserva per quanto riguarda l’effetto degli OGM sull’ambiente. Tutto in natura è strettamente correlato. La creazione di organismi con caratteristiche genetiche nuove, decise a tavolino, ancora più della selezione artificiale di cui parlavamo prima, può  alterare i naturali processi di selezione, che si basano sulla sopravvivenza dei genomi più adatti in un determinato ambiente in un determinato momento, comportando così notevoli rischi, come la perdita di biodiversità.

 Ma c’è un altro aspetto di cui bisogna tener conto: quello del profitto. La multinazionale Monsanto, la prima ad introdurre OGM, ha fatto affari d’oro con i brevetti su ogni OGM che ha prodotto diventando in effetti proprietaria di organismi viventi, che lei sola poteva produrre. Ad esempio produceva un mais modificato capace di resistere agli erbicidi, Ma non a tutti gli erbicidi bensì a quelli da essa stessa prodotti. Così gli agricoltori oltre al mais dovevano acquistare dalla stessa ditta anche l’erbicida.

  Le multinazionali si sarebbero spinte anche oltre progettando di  produrre  piante con semi sterili  - come il cosiddetto  “Terminator” (fig.) . Leggendo i documenti di costituzione di Terminator, si apprende che questa tecnologia sarebbe stata impiegata (sic) per tutelare le multinazionali dai contadini furbetti che utilizzavano i semi brevettati senza pagare i giusti diritti. Fortunatamente la pressione dell’opinione pubblica ha impedito che questa tecnica fosse utilizzata.. Dall’epoca della  introduzione degli OGM la scienza e, di conseguenza, le biotecnologie hanno avuto un enorme sviluppo.

Da quando è stato sequenziato il genoma umano è possibile applicare le tecniche di biologia molecolare, spesso chiamate anche di ingegneria genetica, direttamente all’uomo. Ovviamente in questo caso il controllo deve essere ancora più stringente.

 

 Tra le applicazioni più promettenti c’è la possibilità di curare malattie dovute a geni malfunzionanti. L’idea sembra semplice: se una patologia dipende da un gene difettoso si può ricorrere alla terapia genica sostitutiva, che consiste nell’inserzione di un gene sano all'interno delle cellule per sostituire quello alterato.  I geni sono segmenti di DNA  che forniscono il codice per costruire ciascuno una determinata proteina e possono ormai essere prodotti sinteticamente. Ma il problema era: come introdurli nelle cellule malate e fare in modo che, una volta introdotti, si integrino con il DNA cellulare nella giusta posizione ?

E sapete da cosa è venuta la soluzione?  Proprio dai virus.

Si può proprio dire che non tutti i virus vengono per nuocere!

 

 

Forse questa affermazione è difficile da accettare proprio  in questi  anni in cui il  famigerato Sars-Cov2  che provoca il COVID (coronavirus  desease), esso si venuto per nuocere, ha sconvolto le nostre vite! .

Ma forse vale la pena a questo punto di ricordare  cosa sono i virus.

 Sono entità, non si possono definire organismi perché non sono in grado di riprodursi da soli, strutturalmente molto semplici costitute da un involucro proteico contenente una molecola di DNA o RNA. Quello che mi ha sempre colpito nei miei studi è il fatto che tutto quello che inventa l’uomo in qualche modo lo ha già realizzato la natura. Infatti i virus, nella loro semplicità, sono dei veri e propri bioingegneri che per risolvere i loro problemi modificano il DNA degli organismi.  

Così alcuni virus innocui vengono equipaggiati col gene corretto di una certa malattia, rendendoli così capaci di  far produrre alle cellule dell’organismo le sostanze mancanti. Buoni risultati sono stati ottenuti ad esempio per l’emofilia di tipo B dovuta alla mancanza di fattori di coagulazione.

Gli stessi vaccini che si stanno utilizzando contro il covid sono basati su tecniche di ingegneria genetica.  Il vaccino AstraZeneca è proprio un vaccino a vettore virale. Infatti sfrutta un altro virus, non dannoso, a sua volta geneticamente modificato, per fornire alle cellule del sangue le istruzioni necessarie per sintetizzare la proteina spike, cioè la proteina che serve al SARS-CoV-2 per introdurre il suo DNA nelle cellule bersaglio. Una volta prodotta, la proteina può stimolare una risposta immunitaria specifica. 

 

Il vaccino Pfyzer sfrutta invece un’altra tecnica, quella della biologia sintetica. Infatti e’ un RNA messaggero prodotto sinteticamente, molecola piccola racchiusa in un piccolo lisosoma ( vesciola di membrana lipidica) facilmente assorbita nel citoplasma delle cellule del sangue, che trasmette loro l’istruzione per produrre la proteina Spike.

 

Ma non è escluso che le stesse tecniche potrebbero essere usate in negativo ad esempio per introdurre malattie letali.

Del resto non sempre c’è bisogno di tecniche sofisticate per usare materiale biologico come arma di offesa!!!

Si può citare ad esempio quanto avvenuto nel  1345 durante l’assedio della città genovese di Caffa da parte di truppe i mongole. Quando gli assedianti cominciarono ad ammalarsi di Peste nera, per risolvere rapidamente il conflitto, pensarono di tirare con una catapulta i cadaveri infetti all'interno delle mura. I mongoli furono costretti ugualmente a ritirarsi ma da questo tentativo di antesignana guerra batteriologica si scatenò il più terribile contagio di peste, in tutta Europa.

 Certo le attuali conoscenze conferiscono agli scienziati ben altre possibilità !

 Siamo ormai al tempo della biologia sintetica.

Nel 2008, Craig Venter, lo scienziato miliardario americano che si è organizzato un laboratorio personale,  e i suoi colleghi crearono un genoma sintetico completo a partire dal genoma di un batterio. Due anni più tardi, lo stesso team riuscì a far riprodurre una copia di questo genoma sintetico in un altro batterio, creando quindi una specie nuova, una cellula sintetica come pubblicarono. Questa affermazione “cellula sintetica” secondo me però non è esatta perché le attività codificate dal genoma sintetico vengono svolte da un citoplasma naturale. Quindi si può creare artificialmente il DNA che è una molecola, per quanto complessa, ma per farlo esprimere è necessaria tutta la complessa macchina cellulare.

 Comunque le possibilità aperte da queste tecniche sono notevoli !

Ad esempio è già stato realizzato il primo fegato sintetico. In realtà  Per ora si tratta di poco più di un abbozzo di tessuto epatico di pochi millimetri,  ma è  un passo in avanti fondamentale verso la creazione di un vero e proprio fegato artificiale che potrebbe essere usato come organo di riserva. Per sostituire un fegato malato potrebbe non essere più necessario ricorrere ai trapianti che presuppongono inevitabilmente la morte di un involontario donatore.

Le tecniche di biologia sintetica vengono utilizzate anche in campi non strettamente medici ma ad esempio per ricostruire passaggi evolutivi. 

Pensate che è stato anche sequenziato e riprodotto sinteticamente il DNA dell’uomo di Neanderthal. (fig.) Già perché una cosa stupefacente del DNA, questa molecola grazie alla quale è nata la vita, e che la vita utilizza invariata in tutti gli organismi dalle sue origini ad oggi, può riprendere la sua attività se  inserita nell’ambiente adatto anche dopo milioni di anni.

Confrontando il genoma dei sapiens con quello neandertaliano si sono evidenziate delle varianti geniche. Così è stato ottenuto e coltivato in laboratorio un cervello in miniatura con la variante di un gene dei Neanderthal nel tentativo di capire come sia avvenuta la separazione dei Sapiens.

                                           Sapiens e Neanderthal

Questa è solo una carrellata delle possibilità che le biotecnologie stanno aprendo.  La cosa importante è che gli scienziati rendano sempre pubblici i loro risultati. 

E’ poi compito della bioetica chiedersi di volta in volta cosa sia giusto e cosa sia sbagliato, cosa sia accettabile e cosa non lo sia, con onestà intellettuale e capacità di ascolto nei confronti della ragione e delle scienza. 

Ancora una volta va ribadito che non si devono condannare le tecniche in sè ma il loro cattivo utilizzo

 

 

 

 F