Microrganismi "Keystone", specie chiave nell'ecosistema

Microrganismi "Keystone"

Via via vengono identificate in vari ambienti nuove specie chiave (keystone) cioè specie la cui scomparsa danneggerebbe molte altre specie che vivono nello stesso ecosistema, determinandone il progressivo collasso.  E non è detto che siano le specie più abbondanti o più evidenti!

Un esempio? Eccolo:

Tutti sappiamo che le barriere coralline sono composte da formazioni rocciose costituite e accresciute dalla sedimentazione degli scheletri calcarei dei coralli. Sappiamo anche che  le barriere coralline sono un ecosistema unico per biodiversità. 
Chi ha avuto la fortuna di vederle se ne è senz’altro reso conto! Infatti qui trovano rifugio milioni di specie diverse di piante, animali e protisti, per le  quali le barriere rappresentano una  sorta di oasi ricca di nutrienti, in un ambiente, come quello dei mari tropicali, generalmente povero.

Resta comunque la straordinarietà di strutture tanto massicce costruite da   piccoli organismi: i polipi del corallo misurano pochi mm, sono parenti delle meduse e delle attinie,  tutti animali appartenenti al philum degli Cnidari e considerati scarsamente evoluti, a struttura semplice non possedendo neppure veri organi interni.

Ma ancora più stupefacente è che la vita dei coralli dipende da organismi addirittura più piccoli (pochi micrometri) e strutturalmente più semplici; senza i quali tuttavia le grandi barriere coralline non si formerebbero e il loro intero ecosistema non esisterebbe, o scomparirebbe.

Si tratta di protisti (organismi unicellulari eucarioti) più precisamente di Dinoflagellati fotosintetici del genere Symbiodinium.

Vivendo come simbionti all'interno dei polipi del corallo i Symbiodinium catturano la luce e trasferiscono fino al 95% della loro produzione fotosintetica all'ospite, sotto forma di zuccheri, amminoacidi e  carboidrati complessi. I polipi del corallo, in cambio, forniscono loro composti inorganici quali ammonio e fosfati, che sono fattori limitanti per  gli stessi  produttori.

Si tratta quindi di una simbiosi mutualistica, nella quale l'abbondante riserva energetica fornita dal simbionte all'ospite rende anche più efficiente la precipitazione del carbonato di calcio per l'esoscheletro, concorrendo per questa via alla costruzione delle barriere e  delle isole coralline.

       Negli ultimi decenni molte barriere coralline non godono di buona salute, perché, in condizioni di stress, i polipi espellono i simbionti da cui, come detto sopra, dipende la loro sopravvivenza. 

Perdendo i simbionti i polipi perdono il colore e appaiono biancastri e sfibrati. Per questo si parla di  "bleaching", ovvero  sbiancamento.

                          Barriera corallina in buona salute!

Questo fenomeno è apparentemente legato sia a periodi di innalzamento della temperatura (da 1 a 3°C) sia ad altri  fattori direttamente o indirettamente  antropici.

Un recente rapporto del WORLD WILDLIFE FUND prevede che la frequenza e l'intensità dello sbiancamento aumenteranno e che 
nel 2050 resterà meno del 5% della grande barriera corallina australiana; con essa entrando in crisi anche tutti gli altri organismi che beneficiano del suo   habitat particolare .Come se in un oasi venisse a mancare l'acqua!

Il caso delle barriere coralline dimostra che, come nel versettto del Vangelo "La pietra scartata dai costruttori è diventata testata d'angolo"; l'elemento a torto giudicato meno importante (un micorganismo la cui biomassa è irrilevante) può invece essere il fattore decisivo per un intero ecosistema. 

Inoltre visto che il rapporto tra corallo e Symbiodinium è di simbiosi mutualistica è dimostrato ancora una volta che insieme ai microrganismi si può! (vedi post precedente.)

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                Barriera che ha subito il fenomeno di Bleaching!

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.

........e i virus?

Anche i virus sono tristemente noti come veicoli di malattie, ancora più subdoli dei batteri dal momento che sono resistenti agli antibiotici.

Ma cosa sono in realtà i virus: sono forse un altro tipo di microrganismi?

 Bella domanda!

Pensate che nel 2012 sono usciti, sulla prestigiosa rivista scientifica americana NATURE, due articoli di diversi importanti autori, intitolati rispettivamente:

"Dieci ragioni per escludere i virus dall'albero della vita"

e

 "Dieci buone ragioni per non escludere i virus dall'albero della vita".

In altre parole gli scienziati non erano e non sono ancora d'accordo se considerarli organismi viventi o no.

 Senza entrare nel merito della polemica, mi limiterò a fornirvi qualche informazione generale. 

 I  virus sono mediamente circa 100 volte più piccoli di una cellula (da 10 a 400 nanometri cioè millesimi di micron). Non possiedono tutte le strutture biochimiche e biosintetiche necessarie per la loro replicazione.  Essi consistono solo di: un genoma relativamente piccolo costituito da DNA o RNA e di una copertura proteica detta capside. Quest'ultima protegge l'acido nucleico virale; interviene nei processi di passaggio del virus all'ospite e determina le caratteristiche antigeniche del virus stesso. (cioè la capacità di riconoscere le cellule bersaglio e di essere riconosciute come estranei da queste). La replicazione virale può avvenire solo in cellule sensibili. La sensibilita’ è strettamente condizionata dalla presenza di adeguati recettori cellulari che permettono l’attacco del virus alla cellula ospite. Per questo in genere c’è una specificità tra virus e organismo infettato, anzi tra virus e tipo di cellule dell’organismo bersaglio.
     Alcuni virus hanno una seconda copertura, altri posseggono strutture molecolari specializzate ad iniettare il genoma virale  nella cellula ospite. Sono visibili soltanto al microscopio elettronico (ad almeno 40.000-50.000 ingrandimenti) ed hanno spesso una forma poliedrica regolare.

 Sono tutti parassiti obbligati e  per riprodursi  devono penetrare, o meglio, introdurre il proprio genoma in una cellula.

Una volta dentro, il genoma virale utilizza i meccanismi di replicazione del DNA, della trascrizione e traduzione della cellula ospite (suo malgrado!).

  In parole povere, i virus costringono la cellula a riprodurli, sulla base delle informazioni portate dal loro genoma. Così una particella virale (detta virione), infettando una singola cellula, è in grado di produrre migliaia di discendenti.

 Questa moltiplicazione virale è spesso sufficiente a uccidere la cellula ospite disintegrandola. Sicché  i nuovi virioni potranno spargersi andando a  infettare altre cellule.

Come vedete, in molti casi la natura supera la fantasia. Non vi pare che il comportamento dei virus, che siano organismi viventi o no,  potrebbe ispirare racconti di fantascienza?

 Immaginate ad esempio, una intelligenza estranea, magari venuta dallo spazio,  che penetrando in un corpo lo sfrutti al massimo per i propri scopi, costringendolo a comportarsi in modo anormale, fino a provocarne l'autodistruzione! 

Oppure un programma alternativo che, entrando nel computer di una fabbrica di automobili, costringa i macchinari a produrre carri armati? Non è altro che quello che fanno i virus!  (tra l'altro è per questo che si parla anche di virus informatici, anche se quella è un’altra faccenda).

Divagazioni a parte, perché i virus sono inattaccabili dagli antibiotici?

Perché gli antibiotici agiscono sul metabolismo dei batteri ma non possono funzionare su queste entità sprovviste, come detto,  di un loro   metabolismo autonomo. 

I

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PROCARIOTI "cattivi" e PROCARIOTI "buoni".

I procarioti

Sono  formati da una sola cellula PROCARIOTICA, cioè a struttura semplice, in cui il DNA non è racchiuso nel nucleo: 

ce ne sono tanti, tantissimi, tutti diversissimi tra di loro.

Sono così tanti che il numero delle cellule procariotiche sulla terra è molte volte superiore a quello delle cellule eucariotiche! Pensate che in ognuno di noi (di noi umani!) ci sono molte più cellule procariotiche che eucariotiche.

Sono sicura che ora  state pensando: “ma i procarioti non sarebbero i batteri, quelli  che fanno venire tante malattie? quindi sono “nemici dell’uomo”, da combattere con tutti i mezzi possibili!!|”.  

Si, è  vero: tra i procarioti ci sono molti batteri patogeni, ma vi assicuro che sono solo una piccola parte dei procarioti che conosciamo.  
Gli altri non solo non sono dannosi ma,  spesso, sono addirittura indispensabili alla nostra vita.

Infatti:

1)    I procarioti sono stati i primi organismi viventi e  la vita sulla terra che conosciamo oggi non sarebbe stata e non sarebbe possibile senza di loro (vedi post il primo inquinamento).

2)     I cicli biogeochimici e il riciclo dei nutrienti sarebbero incompleti o addirittura impossibili senza i procarioti. Ricordate che in mare aperto gli unici produttori sono microrganismi, molti dei quali procarioti, e che quindi da loro dipende la vita di tutti gli altri organismi (vedi post La Natura riciclona)

3)    I procarioti possono utilizzare, come fonte di energia, elementi e sostanze diverse, sfruttando quindi risorse inraggiugibili per altri viventi. In certi ambienti, dove non arriva la luce del sole e quindi la fotosintesi non è possibile (tipo le profondità marine e sottoterra), sostengono la vita mediante vari tipi di chemiosintesi.

4)    I procarioti possono sopravvivere in ambienti estremi dove nessun eucariote può vivere: se ne trovano in acque calde fino a 121°C e in laghi sotto chilometri di ghiaccio nell’Antartide.  Possono vivere in ambienti acidi o in ambienti salati. Inoltre tutti i prodotti naturali e, per fortuna, molti prodotti introdotti dall’uomo, possono essere degradati dai batteri.

5)    Molti organismi superiori (uomo compreso) non potrebbero sopravvivere a lungo senza endosimbionti batterici (ad esempio senza la cosiddetta flora intestinale).

Queste poche notizie sono meno che “briciole” di conoscenza sul vasto mondo dei procarioti!

E pensare che, secondo gli scienziati, i procarioti che conosciamo attualmente sono soltanto una minima parte di quelli esistenti!!!.

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Il primo inquinamento atmosferico e la vita sulla terra. The first great pollution of earth’s atmosphere

Il primo inquinamento atmosferico e la vita sulla terra.

     Tre miliardi e mezzo di anni fa la superficie terrestre era molto diversa da come la conosciamo oggi, soprattutto era molto meno ospitale. Gli oceani erano più vasti ed occupavano profonde depressioni, fenomeni vulcanici e piogge di meteoriti erano molto frequenti. Le temperature probabilmente non erano molto diverse da quelle di adesso ma il sole aveva una luminosità all'incirca di un terzo minore di quella attuale. 
     Anche l’atmosfera era completamente diversa da quella di ora, infatti l’ossigeno era scarso o assente mentre erano abbondanti anidride carbonica, ammoniaca e metano tutti gas per noi irrespirabili!

La vita però c’era già.

 Quali organismi potevano vivere in un ambiente così difficile?

Si trattava esclusivamente di organismi unicellulari procariotici  (cioè cellule a struttura semplice, senza un nucleo) che, come gli attuali batteri e microalghe anaerobi, non avevano bisogno dell’ossigeno per procurarsi energia.  Erano molto diversi tra di loro e usavano per il loro metabolismo varie fonti, quelle che avevano a disposizione, come metano, azoto, zolfo ecc.; in un certo senso specializzandosi per ridurre la competizione. Tra l’altro non c’erano predatori: nessuno mangiava nessuno! Così per un tempo lunghissimo si sono potuti sviluppare e diffondere da per tutto.

Poi, più o meno 2,5 miliardi di anni fa, comparve un nuovo rivoluzionario metabolismo: la fotosintesi.

    Si, proprio il processo che, sfruttando la luce del sole, praticamente sostiene la vita sulla terra ancora oggi attraverso le piante e i microrganismi fotosintetici (vedi post Natura riciclona). 

    Secondo le ipotesi più moderne la fotosintesi non è evoluta in maniera lineare in un unico tipo di microrganismo ma è derivata dalla fusione di linee evolutive diverse che hanno messo a comune blocchi di materiale genetico. Questa fusione genica (fenomeno che oggi chiamiamo trasferimento genico orizzontale) ha permesso di realizzare un metabolismo nuovo, di gran lunga più efficiente di tutti quelli allora esistenti,  il quale,  se si tiene anche conto che nel frattempo il sole era diventato più luminoso, ha portato ad un enorme sviluppo e diffusione dei microrganismi che ne erano dotati.

Ma….. c’era un grosso problema!!!!!!

Come sappiamo bene, la fotosintesi produce ossigeno, un gas che per gli organismi di allora era velenosissimo!

Così, col tempo, il successo dei microrganismi fotosintetici provocò un vero e proprio impressionante inquinamento atmosferico.

Cosa successe agli organismi allora viventi?

La magggior parte delle specie morirono e si estinsero, alcune riuscirono a sopravvivere in ambienti particolari dove la presenza dell’ossigeno era minore, altre “impararono” a respirare ossigeno, altre infine riuscirono a sopravvivere unendosi con quelli che avevano imparato a respirare ossigeno.  Nacque così la cellula eucariotica derivata proprio, secondo le più accreditate teorie, dall’unione di più procarioti diversi.

Quindi, da una profonda trasformazione dell’atmosfera, catastrofica per la maggior parte delle forme di vita allora esistenti, si sono create le condizioni per la nascita di

forme di vita nuove

 da cui poi sono derivati gli organismi pluricellulari, uomo compreso.

Quale morale possiamo trarre da questa storia?

Forse che, se l’inquinamento atmosferico in corso ai nostri giorni aumenterà oltre un certo limite, saremo noi esseri viventi attuali  a pagarne le conseguenze mentre  la terra potrà continuare ad esistere e magari forme di vita diverse potranno formarsi.
   
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The first great pollution of earth’s atmosphere

About 3.5 billions years ago the earth surface was very different  from now, particularly it was less hospitable. Oceans were larger, very often there were volcanic eruptions and meteor showers. Temperatures were probably similar to those registered now but the sunlight was less vivid. The most important feature of the ancient environment was the absence of free oxygen. Indeed it was almost lacking in the atmosphere whose main components were carbon dioxide, methane and  ammonia.

But life was already present!

Which kind of organisms could survive in a such hard environment?

They were only unicellular prokaryotes (like the bacteria and microalgae living today) able to gain energy without oxygen. They were very numerous and different from each other for their metabolism based on different energetic sources (methane, ammonia, sulphur and so on) predators were lacking: nobody was eaten. So they grew and spread everywhere.  

Then, about 2 billion years ago, a new  evolutionary metabolism appeared.

Aquatic organisms called blue-green algae began using energy from the Sun to split molecules of H2O and CO2 and recombine them into organic compounds and molecular oxygen (O2). This solar energy conversion process is known as photosynthesis.   Yes, the same photosynthesis that practically support life on the earth even now.

According to modern hypothesis photosynthesis originated through the fusion of various evolutionary lines which pulled part of their genetic material.  This fusion of genes, at present referred to as horizontal gene transfer, created a metabolism much more productive than the others already existing, also considering that the sunlight was in the meantime increased. Some of the photosynthetically created oxygen combined with organic carbon to recreate CO2 molecules. The remaining oxygen accumulated in the atmosphere, touching off a massive ecological disaster with respect to early existing anaerobic organisms.

A true atmospheric pollution!

Most species died and disappeared for ever, other species could survive in particular environments with a low oxygen concentration, others “learned” to breathe oxygen while others were able to survive by the fusion with those breathing oxygen organisms.

 In this way the eukaryotic cell originated.

Thus, starting from a great atmospheric transformation, lethal for the majority of the forms of life at that time existing, new forms arose, from which during the time pluricellular organisms (man included) derived.

To cut a long story short: perhaps if the atmospheric pollution in progress now will increase beyond measure we, existing living beings, could succumb while new life forms could be originated on the earth.

Un batterio molto speciale! A very special bacterium!

I batteri sono organismi unicellulari procarioti. Sono quindi, per definizione, di piccole dimensioni (invisibili ad occhio nudo) e semplici di struttura. 

Batterio al microscopio elettronico

In genere quando si parla di batteri vengono in mente malattie e pericoli vari. In realtà non tutti batteri sono cattivi ed, anzi, non potremmo vivere senza batteri! ma di questo parleremo in altra sede.  Qui volevo solo farvi conoscere un batterio molto speciale che abbiamo scoperto nel nostro laboratorio all’Università di Pisa.

Come la maggior parte dei batteri il nostro è piccolo (è di forma ovoidale lungo 2 micrometri, cioè 2 millesimi di mm e largo 1), ma ha una struttura decisamente complessa e non è per niente cattivo, anzi……

Lo abbiamo chiamato epixenosoma (dal greco corpo estraneo che  si trova sopra) perché vive come simbionte esterno sulla superficie dorsale di protozoi ciliati del genere Euplotidium (se avete letto gli altri post ormai sapete chi sono i protozoi ciliati, se non li avete letti allora leggeteli).

Euplotidium con epixenosomi

Perchè gli epixenosomi sono batteri speciali?

Perchè, almeno nella forma matura, hanno una struttura cellulare molto più complessa di quella degli altri batteri, con alcune caratteristiche più eucariotiche che procariotiche anche perché alla complessità strutturale corrisponde una compartimentalizzazione funzionale. Il DNA è localizzato nella regione apicale e, insieme alle proteine a cui è legato, assume al microscopio elettronico un aspetto molto simile a quello della cromatina delle cellule eucariotiche; nel citoplasma ci sono fasci di tubuli probabilmente formati da tubulina, (una proteina finora considerata esclusiva degli eucarioti). 

Epixenosomi - Sezione longitudinale

Epixenosoma con la tecnica del Freeze Etching

Ma la struttura più intrigante è, a mio parere, l’apparato estrusivo.
L’apparato  estrusivo è una struttura molto efficiente: si tratta di un sottile nastro probabilmente proteico che, in condizione di riposo, è avvolto strettamente intorno ad un asse centrale ed ha forma e dimensioni ben adattate a quelle della cellula. Però, in risposta a stimoli ambientali, recepiti attraverso recettori di membrana situati nella regione apicale della cellula, il nastro si srotola dall’interno (come quando si fa il naso con le stelle filanti), e forma un tubo lungo 40µ (cioè venti volte la lunghezza della cellula) con una  parete continua, rigida alla cui estremità c’è una testa contenente il DNA che il tubo trascina con sé passando attraverso la regione apicale. Il fenomeno dell’estrusione è ben visibile con un buon microscopio ottico.

A sinistra: fase iniziale dell'estrusione (TEM); a destra: epixenosoma completamente estruso (SEM)

Ancora non sappiamo qual è, per l’epixenosoma, il significato dell’estrusione che ne causa la rottura e l‘espulsione del materiale genetico.  Che sia un modo per cercare altri ospiti?    Per ora è mistero.

Sappiamo però, perché lo abbiamo dimostrato sperimentalmente, che l’estrusione degli epixenosomi giova al protozoo ospite: infatti protozoi predatori non mangiano gli Euplotidium dotati di epixenosomi mentre mangiano tranquillamente quelli che ne sono privi.  Da notare che Euplotidium privi di epixenosomi non sono mai stati trovati in natura ma si possono ottenere in laboratorio. Questo vuol dire che l’associazione con gli epixenosomi non è vitale per gli Euplotidium ma è una speciale forma di difesa così efficiente che in natura solo gli individui che ne sono dotati riescono a sopravvivere!  Mentre altri ciliati si difendono con i loro estrusomi, cioè con organuli cellulari, questi come strumento di difesa “allevano” gli epixenosomi. Non per niente in un blog americano (Small things considered) sono stati paragonati a James Bond, l’agente 007 capace di escogitare i più imprevedibili trucchi!  wikipedia http://schaechter.asmblog.org/small things considered

 A very special bacterium

 Bacteria are unicellular procaryotic organisms. They are very small in size, too small to be seen with the naked eye, and have a very simple structure. In general the word “bacteria” is evocative of diseases and dangers. The fact that not all bacteria are dangerous and that, on the contrary, we could not leave without bacteria will be the subject of  an additional post. Here I want only to introduce a very special bacterium we discovered in our laboratory at Pisa University.

Like the majority of bacteria it is small (oval in shape 2 µm, that is two thousandths of millimiter in length and 1 µm in width) but possesses a complex structure and is far for being dangerous! We called this bacterium “Epixenosome”  (from the ancient Greek external alien body) because it lives on the dorsal surface of ciliated protozoa of Euplotidium genus.

Why epixenosomes are so special?

First of all because, as you can see in the picture, their structure is more complicated than that of the majority of known bacteria. Some characteristcs are more eukaryotic than prokaryotic and a  functional compartmentalization corresponds to the structural complexity,

Longitudinal section of epixenosomes (transmission electron microscope)

  Their DNA is localized in the upper region, is bound to basic proteins and,

at the electron microscope, it assumes a chromatin-like appearance. Moreover in the cytoplasm there are bundles of tubules in all  likelihood consisting of tubulin (a protein that up to now was considered only eukaryotic).  But the more astonishing structure is, in my opinion, the extrusive apparatus.

 The extrusive apparatus is a very well engineered structure.  It consists of a ribbon rolled up around a central core. In resting position it is compact, with shape and size well adapted to that of the intact epixenosome. The detection of external signals through membrane receptors starts up the extrusive process.

During the ejection  the ribbon unrolls from the inside by the slipping of the layers one into the other (like when we make a nose with streamers). Thus a tube forms which passes through the opening of the cell membrane (the first step of the ejecting process), and takes away the apical portion of the epixenosome containing  the genetic material.  At the end of the process the tube is 40 mm long,  that is 20 times the length of the organism, with a head 2mm long. The wall of the tube consists of the layers that are rolled up in the resting state but which are now extended, one after the other, with oblique overlapping thus ensuring the continuity of the tube.  At present we do not know the meaning of the ejection, which causes the dispersion of the epixenosomal DNA, for the bacterium itself.

 The tube at the end of the ejection

Euplotidium with some ejected epixenosomes

We know however that the ejection of epixenosomes is useful for the ciliate host. Indeed we experimentally demonstrated that predator ciliates do not eat Euplotidium with epixenosomes while easily eat those without. Note that Euplodidium without epixenosomes have never been found in nature: they can only been obtained in the laboratory. This means that  the presence of epixenosomes and their ejection is not vital for the host but represents an efficient defensive tool in nature. 
Other ciliates are able to escape predators by means of their own extrusomes:  ciliates of Euplotidium genus grow epixenosomes on their surface for their defence. For this reason in an american blog they have been compared to James Bond, the 007 agent able to invent different special weapons!

 

I microrganismi eucarioti (Protisti) ci parlano di sè . Protists introduce themselves

               I microrganismi eucariotici (Protisti) parlano di sè  

Chi siamo?

Siamo organismi formati da una sola cellula eucariotica, una cellula cioè dotata di un nucleo (in cui è racchiuso il DNA) e di altre strutture specializzate. In genere siamo così piccoli da non poter essere visti ad occhio nudo: per questo siamo così poco conosciuti!

Quando siamo nati?

Più di un miliardo di anni fa.

Dove viviamo?

 Nel mare, nei laghi, nei fiumi, nel terreno, in piccole pozze d’acqua e anche nell’aria sotto forma di cisti.

Come siamo?

Anche se siamo tutti unicellulari siamo molto diversi uno dall’altro per forma, dimensioni, comportamento e ruolo ecologico.

 Alcuni di noi si muovono attivamente per mezzo di uno o più lunghi flagelli (vengono perciò detti flagellati), altri per mezzo di numerose strutture più corte dette ciglia (percio ciliati), altri emettono "pseuopodi" cioè falsi piedi  (falsi perchè non sono strutture permanenti ma estroflessioni retraibili).

Cosa facciamo nell’ambiente?

Alcuni di noi sono produttori: come le piante. Altri sono consumatori di primo grado: come gli animali erbivori. Altri sono consumatori di secondo grado: come gli animali carnivori. Altri si nutrono di batteri. Altri ancora sono parassiti o simbionti di piante o animali. Molti servono da cibo per piccoli animali.

A quale regno della Natura apparteniamo?
Proprio perchè siamo così diversi (anche dal punto di vista molecolare) non possiamo essere inclusi tutti in uno stesso regno, anche se era stato creato per noi il regno dei Protisti. Del resto quella di rinchiudere la Natura in schemi precisi è una esigenza di voi umani, a noi non interessa. Forse per comprenderci meglio conviene usare la vecchia nomenclaura: protozoi (animali primitivi) per gli eterotrofi e protofiti (piante primitive)o microlaghe per gli autotrofi.

Perché è utile conoscerci?

Perché viviamo in mezzo a voi ed ognuna delle nostre funzioni è importante negli ecosistemi in cui ci troviamo e con cui anche voi avete a che fare.

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Protists introduce themselves

Who are we?

We are eukaryotic, unicellular organisms. We are very small and

not visible to the naked eye. For this reason we are so little known!

When were we born?

More than one billion years ago.

Where are we living?

We are living in the sea, in lakes and rivers, in the soil and even in the air (in the form of cysts).

What do we look like?

Although we all consist in only one cell,  we are very different from each other in shape, size, behaviour and ecologic role.

  

What are we doing in the environment?

Some of us are autotrophic, that is producers: like  plants. Others are first degree consumers like herbivorous animals while others are second degree consumers like carnivores. Some eat bacteria.  Some more are parasitic or symbiont  of plants or animals.  Many represent a good food for little animals.

Why it is very useful to be acquainted with us?

Because we live among you and we have important roles in all the ecosystems in which yourselves live (see for example the post “nature big recycler”)

Curiosità su di noi

Lo sapevate che: un protozoo ciliato che nuota può percorrere una distanza di un mm al secondo, cioè una distanza pari a oltre 10 volte la sua lunghezza? Se un uomo nuotasse alla stessa velocità percorrerebbe 100 metri in  poco più di mezzo secondo!

Lo sapevate che un protozoo ciliato filtratore in un'ora svuota dalle particelle alimentari  un volume di acqua pari a 10⁵ il suo volume cellulare?

Lo sapevate che alcuni protozoi mantengono vitali, in altre parole allevano, al loro interno parte delle alghe che ingeriscono come cibo, per nutrirsene poi in caso di mancanza di alghe nell’ambiente?

Lo sapevate che se il cibo o l’acqua vengono a mancare molti microrganismi eucariotici si costruiscono un guscio resistente, in cui si racchiudono riducendo al minimo le loro funzioni vitali (una specie di letargo!) in attesa di condizioni migliori? Queste forme si chiamano cisti e spesso invece di star lì ad aspettare tempi migliori si lasciano trasportare dal vento o da piccoli animali dove le condizioni sono già adatte.

Lo sapevate che i protozoi “carnivori” hanno delle strutture speciali per catturare le prede?  Si tratta di strutture che vengono estroflesse (per questo chiamate estrusomi) e che spesso emettono una tossina che paralizza la malcapitata futura preda.

Lo sapevate che i protozoi potenziali prede hanno escogitato vari modi per sfuggire alla cattura?

Alcuni hanno a loro volta delle strutture estrusive diffuse su tutta la cellula, dette tricocisti perché una volta estruse sembrano peli (naturalmente viste al microscopio). Le tricocisti vengono estroflesse tutte insieme provocando uno spostamento all’indietro che può evitare la cattura. Altri, alla presenza del predatore, assumono una forma diversa che ne rende più difficile la cattura. Altri ancora una volta ingeriti emettono una tossina che uccide il predatore: naturalmente muore anche la preda ma “salva” gli altri protisti della sua specie!