Symbiosis and evolution: together we can!!!

Not always biological evolution is thrown by competition: in many cases it is based on  cooperation. This statement is not in contrast with Darwin theory, but in some way represents an integration to it.

Indeed the evolution of a species consists often in getting out from competition by the adaptation to a particular diet or to hard environments. Symbiosis in many cases is the key for these adaptations. In other words: together become possible what alone is impossible.

Do you want examples? Here they are.

In the following picture you can see an aphid, a plant louse, a little insect that often infest our plants, especially the youngest ones. Aphids bother us but, from a naturalistic point of view they are  phenomenal: during evolution they managed to  get a food very abundant in nature but not used by other animals.  So they do not have competitors!! This food is the sap of vascular plants.

Why this natural resource is little used as food? Because it contains only sugars, not proteins.

So, as the majority of animals are not able to synthesize all aminoacids (the little molecules by which proteins are composed), a diet lacking proteins is not sufficient for their survival.

Then, in which way solved aphids the problem?

They harbour a vertically transmitted (from parent to its offspring) obligate bacterial symbiont named Buchnera which is located inside specialised cells. The original contamination with this bacterium occurred in a common ancestor 280 to 180 milions years ago and has enabled aphids to exploit a new ecological niche sap feeding.  The symbiont provides its host with essential amino acids, which are absent or present in low concentrations in plant sap,

In return Aphids protect their symbionts and provide them with substances useful for their metabolism. This symbiotic relation is now obligate: the two organisms are not able to survive one without the other! Buchnera even transferred a great part of its genome in the host genome  and probably uses nutrient supplies from the aphid host. 

Sometimes a symbiosis leads to another.

 On the plants infested by aphids often there are ants. Do you know why?

The two insect species are engaged in a mutualistic symbiosis: ants farm aphids, protecting them on the plants they eat, eating the highly nutritious  and sweet honeydew aphid release from the terminations of their alimentary canals ( in other words they eat aphid poo-poo). In return, the ants tenderly look after and protect them from predators. By stroking the back of some aphids with their antennae, the ants can induce a honeydew droplet. The ants may move the insects to areas on the plants with the best sap. When it rains they may move them to sheltered places, even sometimes into their own nests.  

Another specialized diet certainly is wood: 

an organic material very abundant in nature that, however,  cannot be digested by the majority of animals.  Anyway, a few species acquired, during evolution, this capability. Amomg them Termites deserve particolar mention. They represent an order (isoptera) of xilophagous insects known for their complex social organization but also for the damages they cause in human settlements. Consider that the termite damages in USA are calculated around one billion dollars every year. On the other hand termites have a relevant ecological role as they eat  almost one third of plant production every year.

But how did termites succeed  in digesting wood?

They host symbionts  which assist in the breakdown of cellulose in their digestive apparatus. 

It is very complex symbiotic community consisting of prokaryotic and eukaryotic microorganisms in turn often associated in symbiotic relationshipsamong them.  For example the giant flagellatum Mixotricha paradoxa (about 500 micrometers long) harbors on its membrane at least three different types of spirochetes. These filiform bacteria form a sort of fringe on the host surface, and beating all together allow the sleeping of their host among the cells of  the termite gut.

                                         Mixotricha paradoxa and its spiochetes 

                                                seen at SEM (scanning electron microscope)

Termites are not the only animals in which edosymbionts are  essential for a good digestion. The situation in all herbivorous is similar to that in termites. Even we, human beings, host the so called intestinal flora i.e. a   complex community of microorganisms in our intestinal apparatus. 

Do you want exempla of extreme habitats colonization?

Here is the first one:

Eucaryotic cell metabolism (that is the sum of chemical processes that take place within the cell itself) is based on oxygen. 

On the other hand there are on the earth a lot of  wide an diversified anaerobic environments. For example the deepest layers of marine an fresh water sediments. Moreover in fresh water habitats oxygen may be lacking even in the deep water column, at least in some seasons. But these environments harbour abundant and diversified life forms. Indeed many prokaryotes do not need oxygen and find there their perfect habitat. Consider that sediments contain the organic material produced by all the organisms living in the overlooking water: poo-poo and pee, secretions and corps. It is a sheer bliss for bacteria!!!

This bacteria production would be confined to the sediments without anaerobic protists that eat bacteria and are in turn eaten by other protists living in the upper levels where oxygen is present. The latter are food for little animals and so on.

There are indeed eukaryotes living in anaerobic habitats? 

Yes thank to a symbiotic event. 
All anaerobic eukaryotes (besides protists there are some fungi) do not possess mitochondria (cellular  respiratory organelles) but possess other organelles of symbiotic origin (on the other end mitochondria too where acquired by symbiosis). These organelles are different from each other and from mitochondria: they have been probably acquired in different ways and in different times to render their hosts able to survive without oxygen. Anyway all started with a symbiotic event!!!

But once again a symbiosis is linked to another.

The majority of anaerobic protists host methanogenic bacteria (i.e. bacteria that produce methane). These bacteria utilize for their metabolism hydrogen accumulated into  hydrogenosomes, (the most common of the organelles mentioned above) enhancing in this way the metabolic efficiency of the host.
Perhaps it  is useful to remember that methane  formula is CH₄  (C= carbonium and H = hydrogen) so for methanogenic bacteria is very convenient to have a  hydrogen reservoir at their disposal.

Let’s go now in the deep sea where light is completely lacking and photosynthesis is impossible. There is life there? Yes!

 Complex communities can be found at least around hydrothermal vents. These communities are one of the few ecosystems on the planet that do not rely upon sunlight for their energy supply. Chemosynthetic bacteria, i.e. bacteria using the sulfur inorganic compounds coming from the vents for their metabolism, are the energy source. Animals feed directly or indirectly on these bacteria. In the Galapagos region primary production at the hydrothermal vents level is 2-3 times higher than that resulting by photosynthesis in the upper region where sun light arrives.

And  what has symbiosis to do with the life in this extremely particular habitat??
The following are two examples, both based on symbiosis, of different ways taken up by animals living there.
 The first one concerns Riftia pachypila, a huge worm (included in anellida oligochaeta) forming large groups on substrates, especially basaltic ones. Riftia possess a long, thin tube made of chitin and scleroproteins, up to 1.5 m long, covering the fleshy body. Sort of  “ feathers”, showy red-orange colored, can be extruded  from the tube.
Riftia  doesn’t have neither a mouth nor a digestive tract. It contains instead a trophosome , a sort of sack containing a lot of Chemosynthetic sulfur oxidizing bacteria i.e. bacteria which, for their metabolism, need sulfur and oxygen. The latter two gas, however, tend to be mutually exclusive as sulfides spontaneously oxidize.  But Riftia provides both elements to their symbionts! Indeed this worm possess two types of emoglobin: the first one binds oxygen (like the emoglobin in our blood) while the other binds sulfide. In this way trough the circulatory system bacteria, on which adult worms depend for sustenance,  are….served.

                                          Riftia pachypila

Then,  very near to the hydrothermal vents, where temperature is very high, lives Alvinella pompejana, the Pompeii worm, considered one of the most heat-tolerant animals on earth as it bears up to 90 C°. Differently from Riftia, Alvinella is equipped with  mouth and digestive tract and does not host symbionts inside. Their back however is covered by bacteria. Living in a symbiotic relationship, the worms secrete mucus from tiny glands on their backs to feed the bacteria, and in return, they are protected by some degree of insulation. The bacteria have also been discovered to be chemolithotrophic, contributing to the ecology of the vent community.

                                            Alvinella pompeiana

Did you notice that in all the symbiotic relationships I have referred microorganisms (prokaryotes or eukaryotes) are involved?

Thanks to the USA scientist Lynn Margulis, unfortunately recently dead, the relevant role played by microorganisms in evolution and life maintenance is now recognized at every level.

Even we, human beings, that consider ourselves higher organisms, depend on symbiotic bacteria. Consider for example the so called bacterial flora comprising a lot of different microorganism species able to decompose materials like cartilage an cellulose that our enzymes cannot digest. Moreover these bacteria synthesize vital substances like K vitamin, important for blood coagulation.

Insieme (ai microrganismi) si può ovvero simbiosi ed evoluzione

Insieme (ai microrganismi) si può .......ovvero simbiosi ed evoluzione

Non sempre l’evoluzione biologica è guidata dalla competizione, in molti casi è basata sulla cooperazione.  Sia chiaro che questa affermazione non si contrappone alla teoria di Darwin, ma in qualche modo la integra.

Infatti l’evoluzione di una specie può consistere anche nel “tirarsi fuori dalla competizione” ad esempio adattandosi ad una dieta particolare o colonizzando ambienti difficili. Questo è spesso reso possibile dalla simbiosi. Come dire che:

 insieme diventa possibile quello che non lo sarebbe da soli.

Volete qualche esempio? eccone uno:

Nella foto è rappresentato un afide, un piccolo insetto detto "pidocchio delle piante". Si tratta di uno di quegli orribili animaletti che infestano anche le nostre piante da balcone o da giardino. A noi possono dar fastidio ma, da un punto di vista naturalistico, gli afidi sono dei veri fenomeni. Infatti, nel corso dell'evoluzione, si sono assicurati una risorsa abbondante in natura ma poco sfruttata da altri animali, per la quale quindi, non devono temere "concorrenti. Si tratta della linfa delle piante.

Perchè questa risorsa è così poco sfruttata?

Perché contiene solo zuccheri e niente proteine.

Quindi, poiché la maggior parte degli animali devono assumere le proteine mangiando (infatti non sono in grado di sintetizzare tutti gli amminoacidi cioè i "mattoni" che formano le proteine) una dieta di sola linfa non può essere sufficiente.

E allora, come hanno risolto il problema gli afidi?

semplice........ospitando un batterio chiamato Buchnera che, in

 in cambio di protezione e di disponibilità di sostanze per il proprio metabolismo, fornisce gli amminoacidi mancanti.

 Il rapporto, la simbiosi appunto, è diventato così stretto che i due organismi non possono più vivere l’uno senza l’altro!  Buchnera ha addirittura trasferito buona parte del suo genoma nel genoma dell’ospite, che probabilmente provvede a fornirgli le sostanze corrispondenti.

A volte, come si dice per le ciliegie, una simbiosi tira l’altra.

Avete fatto caso che spesso ci sono formiche intorno alle piante infestate dagli afidi?

Questo perché, nonostante l'aiuto del loro simbionte Buchnera gli afidi, devono ingerire molta linfa per sostenersi e riprodursi. Di conseguenza, espellono abbondante sostanza di rifiuto sotto forma di una sorta di melassa detta melata di cui, diverse specie di formiche, si nutrono. In cambio del nutrimento ricevuto, le formiche proteggono gli afidi, che hanno un corpo molle e nella maggior parte dei casi sono privi di strumenti di difesa, dai nemici naturali (predatori, parassiti). 

Altra dieta particolare è sicuramente il legno: una risorsa organica molto abbondante in natura ma che gli animali in genere non sono in grado di digerire.  

Eppure, un certo numero di essi hanno acquistato, nel corso dell’evoluzione, la capacità di nutrirsene. 

I più noti tra questi animali sono le Termiti (qui nella foto) che costituiscono un ordine di insetti (isotteri) esclusivamente xilofagi  (cioè mangiatori di legno), molto studiati per la loro complessa organizzazione sociale nonché per i danni che possono provocare negli insediamenti umani. Pensate che  negli Stati Uniti  provocano ogni anno danni per un miliardo di dollari. 

Però le termiti hanno una notevole importanza ecologica infatti l’equivalente di un terzo di tutta la materia prodotta ogni anno dalle piante viene divorata da loro. In un ecosistema terrestre, la produzione di materia vivente è quasi ininterrotta, e se essa non venisse demolita con una velocità pari a quella con cui viene formata, dopo poco tempo il sistema entrerebbe in crisi, perché verrebbero a mancare sia lo spazio per i nuovi organismi, sia i materiali indispensabili per lo stesso processo produttivo.

Ma come possono le termiti trarre nutrimento dal legno?

Risposta: possono farlo grazie ai simbionti che ospitano nel loro apparato digerente.

Si tratta di una comunità complessa formata da microrganismi procarioti ed eucarioti, spesso a loro volta associati in simbiosi.

Infatti molti eucarioti ospitano al loro interno o sulla loro superficie dei procarioti. Il flagellato gigante Mixotricha paradoxa (misura circa 500 micrometri di lunghezza!), ospita sulla sua membrana spirochete di almeno tre tipi diversi. Queste spirochete formano una sorta di frangia su tutta la superficie dell’ospite e, con il loro battito coordinato, ne permettono lo scivolamento tra le cellule intestinali della termite.

Questo  delle termiti è tuttavia soltanto un esempio di simbiosi “digestive”, scelto tra quelli più specializzati, ma la situazione negli erbivori in genere non è molto diversa. 

Del resto noi stessi “umani” siamo aiutati nella digestione dalla cosiddetta “flora intestinale” che altro non è se non una differenziata comunità batterica.

Volete anche esempi di colonizzazione di ambienti estremi?

Ecco un primo esempio: vita in anaerobiosi

Il metabolismo della cellula eucariotica ( cioè l’insieme dei processi chimici che avvengono al suo interno) è basato sull’ossigeno. Quindi, in generale, gli organismi uni o pluricellulari eucariotici senza ossigeno non possono vivere.

Ci sono però,sul nostro pianeta, ambienti anaerobici (senza aria) più estesi e diversificati di quanto possiate immaginare: basta pensare,come esempio, agli strati profondi dei  sedimenti marini e d’acqua dolce. In ambienti d’acqua dolce poi, ad una certa profondità, l’ossigeno può mancare anche nella colonna d’acqua, almeno in certe stagioni.

Questi ambienti, contrariamente a quanto si potrebbe pensare,  sono ricchi di vita!

Molti procarioti infatti non hanno bisogno di ossigeno e trovano in questi ambienti il loro habitat ideale. Capirete, lì si accumula tutta la sostanza organica proveniente dagli organismi che vivono negli strati superiori:  sostanze di rifiuto, insomma cacca e pipì, secrezioni, cadaveri.  Una vera pacchia per batteri decompositori!

 La produzione di questi batteri però resterebbe lì confinata, inutilizzata, se non ci fossero dei protisti, quindi microrganismi eucariotici, adattati a vivere senza ossigeno i quali, nutrendosi dei batteri stessi la rimettono in circolo.  Questi protisti infatti potranno essere mangiati da altri che vivono un po' più in alto, dove c’è ancora ossigeno, questi a loro volta saranno mangiati da piccoli animali……. e così via.

E la simbiosi cosa c’entra?

C’entra, visto che tutti gli eucarioti anaerobici (oltre ai protisti ci sono dei funghi) sono privi di mitocondri (gli organuli cellulari per il cui funzionamento è indispensabile l’ossigeno) ma contengono organuli sostitutivi dei mitocondri stessi, come questi ultimi di origine simbiotica, cioè derivati da un antico simbionte ormai 
divenuto un organulo. Sono organuli diversi dai mitocondri e diversi tra di loro:  come se fossero stati acquistati in tempi e modi diversi nei vari organismi per permettere loro di vivere senza ossigeno…comunque sempre a partire da un evento simbiotico.

 Ma, ancora una volta, una simbiosi ne tira un’altra!

Infatti  la maggior parte dei protisti che vivono nei sedimenti marini anaerobi ospitano batteri metanogeni  (cioè produttori di metano), che utilizzano l’idrogeno accumulato negli idrogenosomi (il più comune tipo degli organuli di cui sopra) migliorando in tal modo l’efficienza metabolica del loro ospite.

Vale forse la pena di ricordare che la formula del metano è CH₄ dove C= carbonio e H= idrogeno. Quindi è facile capire com’è utile per quei batteri avere una sorta di serbatoio di idrogeno!.




Andiamo ora nelle profondità marine, dove non c’è luce e quindi non c’è fotosintesi.  
Eppure,  già dalle prime esplorazioni, si è scoperto che in vicinanza delle sorgenti idrotermali sottomarine, vivono abbondanti e diversificate comunità di organismi.  Qual’ è la fonte energetica in questi ambienti? non certo il sole! Stiamo parlando di oltre 5000 metri di profondità.  Sono i batteri chemioautotrofi,  batteri cioè che  adoperano come substrato diversi composti inorganici contenenti zolfo, abbondanti nei getti delle sorgenti.  Pensate che la produzione primaria delle sorgenti termali delle Galapagos è 2-3 volte superiore a quella della stessa zona geografica, basata sulla fotosintesi negli strati in cui arriva la luce. Gli animali si nutrono di questi batteri o di altri animali che si sono nutriti dei batteri.

E la simbiosi?

Ecco due soluzioni diverse per adattarsi, per mezzo della simbiosi, a questo ambiente, obiettivamente particolare  












Riftia pachypila.



Questo animale,  (incluso tra gli anellidi oligocheti) ed è una sorta di verme gigante che forma degli estesi gruppi attaccati al substrato soprattutto di basalto. Riftia ha un lungo, sottile, tubo composto di chitina e scleroproteine che può raggiungere 1,5 m di lunghezza, a protezione del corpo molle. Le piume colorate di rosso-arancio, vengono estroflesse dal tubo.

 Riftia non ha bocca né apparato digerente. Presenta invece un sacco contente innumerevoli batteri chemioautotrofi, ossidatori di zolfo, batteri cioè che per svolgere la loro funzione, hanno bisogno di zolfo e di ossigeno. Questi due gas però si escludono a vicenda anche perché i composti ridotti dello zolfo tendono ad ossidarsi spontaneamente. Perciò i batteri devono stare all’interfaccia tra zona ossidata e zona sulfurea..

In Riftia la simultanea assunzione di zolfo e ossigeno avviene grazie ad un particolare adattamento. Questi animali possiedono infatti due tipi di  emoglobina: un tipo lega l’ossigeno ( come ogni emoglobina che si rispetti!) per poi rilasciarlo in tutto l’organismo, l’altro lega lo zolfo in modo reversibile ( se la nostra emoglobina venisse a contatto con lo zolfo lo legherebbe in modo definitivo impedendo il legame con l’ossigeno e…. saremmo fregati). Così, attraverso l’apparato circolatorio, sia zolfo che ossigeno vengono trasportati nel trofosoma ( il sacco con i batteri) per essere utilizzati dai batteri stessi dai quali poi Riftia prende il nutrimento.

Alvinella pompeiana

Ancora più vicino alle sorgenti termali, dove la temperatura è molto alta, ambienti vive Alvinella pompeiana. IL riferimento a Pompei nel suo nome non è casuale infatti questo anellide polichete, per quanto si sa fino adesso, è l’animale che sopporta le più alte temperature: può vivere anche a 90° C. . A differenza di Riftia, Alvinella ha bocca e apparato digerente e non ha simbionti interni. Ha però simbionti esterni  il cui ruolo è probabilmente quello di  rendere l’ambiente meno tossico ossidando i solfuri e “sequestrando” i metalli pesanti. 

Il sistema A. pompejana con i suoi batteri potrebbe quindi rendere più adatto l'ambiente anche per altre specie.

 Avete  notato che in tutti gli esempi che ho citato sono coinvolti dei microrganismi (procarioti o eucarioti)?  

Spetta ad una scienziata americana, morta di recente (LYnn Margulis) il merito di aver sottolineato il ruolo dei microrganismi nell’evoluzione e nel mantenimento della vita a tutti i livelli.

Anche noi umani, che ci riteniamo organismi superiori, dipendiamo da simbionti batterici! Basti pensare alla cosiddetta “flora intestinale”  composta da migliaia di specie diverse di microrganismi la cui funzione è la disgregazione delle sostanze che il nostro sistema non è in grado di smantellare, come le cartilagini e le molecole di cellulosa. Un'altra funzione importante è la sintesi di sostanze indispensabili, ad esempio la vitamina K, che svolge un ruolo essenziale nella coagulazione del sangue.