.png "Dai batteri alle piante: il ruolo dei microrganismi nell'evoluzione del giardino parte 1.")
Quando osserviamo una pianta, un bosco o un giardino, siamo portati a pensare al mondo vegetale come a qualcosa di separato dal resto della vita. In realtà, ogni organismo vivente è inserito in una rete di relazioni molto più ampia, nella quale batteri, archei, virus, funghi, animali e piante interagiscono continuamente.
Tra gli organismi più abbondanti sulla Terra troviamo i procarioti, che comprendono i domini dei Bacteria e degli Archaea. Sono organismi generalmente invisibili a occhio nudo, ma la loro importanza per la vita sul nostro pianeta è enorme.
I procarioti hanno avuto un ruolo fondamentale nella storia della Terra. Le forme di vita più antiche conosciute appartengono infatti al mondo procariotico e alcuni dei fossili più antichi conosciuti, risalenti a circa 3,5 miliardi di anni fa, sono riconducibili a organismi procariotici.
Nel corso della loro lunghissima storia evolutiva, questi organismi hanno sviluppato una straordinaria capacità di adattamento, riuscendo a colonizzare ambienti nei quali molte altre forme di vita non potrebbero sopravvivere.
I procarioti e la storia della Terra
I procarioti sono tra gli organismi più semplici dal punto di vista strutturale, ma rappresentano una delle forme di vita più diffuse e adattabili del pianeta.
La loro importanza è legata soprattutto alla loro enorme diversità metabolica e alla capacità di riprodursi rapidamente, inoltre possono vivere in ambienti estremamente differenti: dai ghiacci dell'Antartide alle profondità oceaniche, dalle sorgenti termali alle zone povere o completamente prive di ossigeno.
Alcuni procarioti utilizzano l'ossigeno per ottenere energia, mentre altri vivono in condizioni anaerobiche, nelle quali l'ossigeno è assente o addirittura dannoso.
Nel corso dell'evoluzione, alcuni procarioti hanno inoltre contribuito a modificare profondamente l'atmosfera terrestre, i cianobatteri, attraverso la fotosintesi ossigenica, hanno avuto un ruolo fondamentale nell'accumulo di ossigeno nell'atmosfera primitiva della Terra, contribuendo a creare le condizioni che hanno permesso successivamente l'evoluzione di forme di vita aerobiche più complesse.
Ancora oggi i procarioti svolgono funzioni essenziali negli ecosistemi: partecipano ad esempio alla decomposizione della materia organica e al riciclo degli elementi chimici, rendendo nuovamente disponibili nell'ambiente sostanze indispensabili alla vita. Quindi non possono essere associati soltanto a ciò che è "nocivo".
La cellula procariotica
La caratteristica fondamentale dei procarioti è l'assenza di un nucleo delimitato da una membrana.
Il DNA si trova in una regione della cellula chiamata nucleoide, e il cromosoma procariotico è generalmente costituito da una molecola di DNA circolare, anche se esistono eccezioni. Oltre al cromosoma, molte cellule procariotiche possono contenere piccoli elementi di DNA extracromosomico chiamati plasmidi, capaci di replicarsi indipendentemente dal cromosoma principale.
Il citoplasma è privo degli organuli delimitati da membrana tipici delle cellule eucariotiche ma non mancano i numerosi ribosomi, indispensabili per la sintesi delle proteine. Alcuni procarioti possono contenere inclusioni o granuli di riserva, nei quali vengono accumulate sostanze utilizzabili come fonte di carbonio ed energia, tra cui composti lipidici e glicogeno.
I procarioti non possiedono un citoscheletro organizzato poiché è una delle caratteristiche delle cellule eucariotiche.
Un'importante eccezione riguarda i cianobatteri nei quali sono presenti sistemi di membrane interne associati alla fotosintesi. I tilacoidi contengono clorofilla e altri pigmenti fotosintetici e permettono a questi organismi di utilizzare l'energia luminosa.
La membrana plasmatica
La membrana plasmatica dei procarioti è costituita da un doppio strato lipidico e svolge numerose funzioni fondamentali, oltre a delimitare la cellula, contiene proteine coinvolte nel trasporto delle sostanze, nella produzione di energia e in altri processi metabolici.
Nei procarioti aerobi, la membrana plasmatica ospita la catena di trasporto degli elettroni, una funzione che nelle cellule eucariotiche è svolta principalmente dalle membrane interne dei mitocondri, e questa particolare organizzazione è uno degli elementi che hanno contribuito alla formulazione e al successivo sviluppo della teoria endosimbiotica, secondo la quale mitocondri e cloroplasti deriverebbero da antichi procarioti che instaurarono una relazione simbiotica con cellule ancestrali.
Nel caso dei cianobatteri, le membrane fotosintetiche sono organizzate internamente e contengono i sistemi molecolari necessari per la fotosintesi.
La parete cellulare
La maggior parte dei batteri possiede una parete cellulare (pensiamo alle piante) contenente peptidoglicano, una struttura complessa che conferisce resistenza meccanica e contribuisce a mantenere la forma della cellula.
I batteri possono essere distinti, sulla base della loro risposta alla colorazione di Gram, in Gram-positivi e Gram-negativi, e le loro pareti presentano differenze strutturali importanti: nei Gram-positivi lo strato di peptidoglicano è generalmente spesso e costituisce una parte consistente della pareti, nei Gram-negativi, invece, lo strato di peptidoglicano è più sottile ed è associato a una membrana esterna contenente, tra le altre componenti, lipopolisaccaridi.
Gli Archaea possiedono invece pareti cellulari differenti e non presentano il peptidoglicano tipico dei batteri.
Alcuni procarioti producono inoltre sostanze mucillaginose costituite da polisaccaridi e, in alcuni casi, proteine, queste sostanze formano il glicocalice, che può favorire l'adesione delle cellule alle superfici e, nei batteri patogeni, ai tessuti dell'organismo ospite e anche contribuire alla protezione dalla disidratazione.
Flagelli, fimbrie e pili
Molti procarioti sono capaci di movimento, in numerose specie la mobilità è assicurata dai flagelli, strutture molto diverse dai flagelli delle cellule eucariotiche.
Nei batteri il flagello è costituito principalmente dalla proteina flagellina, organizzata in una struttura filamentosa, e possono essere distribuiti su tutta la superficie cellulare oppure concentrati a uno o più poli della cellula. Accanto ai flagelli troviamo fimbrie e pili, strutture filamentose che svolgono funzioni differenti.
Le fimbrie possono contribuire all'adesione del batterio alle superfici o ad altre cellule, alcuni pili, invece, partecipano alla coniugazione, un processo attraverso il quale può avvenire il trasferimento di materiale genetico tra cellule.
Le diverse forme dei procarioti
I procarioti presentano una notevole varietà di forme.
Tra le forme più conosciute troviamo:
- cocchi, di forma generalmente sferica;
- bacilli, di forma bastoncellare;
- forme spiralate o ricurve, come spirilli e altri batteri dalla morfologia elicoidale.
Dopo la divisione cellulare, alcune cellule si separano completamente, mentre altre possono rimanere unite formando catene, grappoli, filamenti o altre organizzazioni caratteristiche.
La forma cellulare rappresenta una caratteristica importante per l'identificazione dei procarioti, anche se oggi la loro classificazione si basa soprattutto su caratteristiche genetiche, molecolari e biochimiche.
Riproduzione e scambio di geni
La maggior parte dei procarioti si riproduce attraverso la scissione binaria. La cellula duplica il proprio materiale genetico e successivamente si divide producendo due cellule figlie, ma in alcune forme possono verificarsi anche altri processi, come la gemmazione o la frammentazione di filamenti cellulari.
La rapidità della riproduzione, unita alla comparsa di mutazioni, contribuisce alla straordinaria capacità di adattamento dei procarioti e a questa si aggiunge lo scambio di materiale genetico. Nei batteri sono particolarmente importanti tre meccanismi: coniugazione, trasformazione e trasduzione.
- La coniugazione permette il trasferimento di materiale genetico tra cellule attraverso un contatto diretto e può coinvolgere i plasmidi.
- La trasformazione avviene quando una cellula acquisisce dall'ambiente DNA libero proveniente, per esempio, dalla degradazione di altre cellule.
- La trasduzione, invece, coinvolge i batteriofagi, virus capaci di infettare i batteri, che possono trasferire materiale genetico da una cellula batterica a un'altra.
Questi processi aumentano la variabilità genetica delle popolazioni procariotiche e possono favorire una rapida adattabilità alle condizioni ambientali.
Virus: entità ai confini della vita
Accanto ai procarioti troviamo i virus, entità microscopiche che non appartengono ai domini o ai regni degli organismi cellulari.
I virus presentano una caratteristica apparentemente paradossale: al di fuori di una cellula ospite non possiedono un metabolismo autonomo e non sono in grado di riprodursi indipendentemente, ma quando penetrano una cellula vivente, possono utilizzare i meccanismi cellulari dell'ospite per produrre nuove particelle virali.
I virus possono infettare praticamente ogni forma di vita, compresi batteri, archei, piante e animali. Nel mondo vegetale esistono numerosi virus delle piante, alcuni dei quali possono provocare alterazioni della crescita, mosaici fogliari, deformazioni, cambiamenti di colore e altri sintomi.
Perché studiare batteri e virus è importante per la botanica?
Lo studio dei procarioti e dei virus non riguarda soltanto la microbiologia poiché è strettamente collegato anche alla botanica e alla comprensione dell'evoluzione delle piante.
Le piante vivono infatti in costante relazione con microorganismi e virus presenti nel suolo, nell'acqua, nell'aria e sulle loro superfici, alcuni batteri instaurano rapporti di collaborazione con le piante, mentre altri possono provocare malattie.
Esistono inoltre microrganismi capaci di trasformare e rendere disponibili elementi fondamentali per la nutrizione vegetale, un esempio particolarmente importante è rappresentato dai batteri coinvolti nel ciclo dell'azoto, elemento indispensabile per la formazione di numerose molecole biologiche e fondamentale per la crescita delle piante.
Lo studio dei procarioti permette inoltre di comprendere meglio alcuni passaggi fondamentali dell'evoluzione delle cellule eucariotiche, ricordiamo la storia dei cloroplasti, gli organuli responsabili della fotosintesi nelle cellule vegetali, è strettamente collegata all'antica storia dei cianobatteri e all'endosimbiosi.
Anche i virus hanno un ruolo importante nello studio dell'evoluzione: le interazioni tra virus e organismi ospiti possono influenzare la selezione naturale, la variabilità genetica e l'evoluzione delle popolazioni.
Comprendere batteri, archei e virus significa quindi guardare oltre la singola pianta e osservare il mondo biologico come una rete di relazioni evolutive ed ecologiche.
Un mondo invisibile alla base della vita
Batteri, archei e virus sono per lo più invisibili a occhio nudo, ma la loro presenza condiziona profondamente il funzionamento degli ecosistemi.
I procarioti partecipano ai cicli della materia, contribuiscono alla decomposizione, trasformano elementi chimici, colonizzano ambienti estremi e interagiscono con gli organismi più complessi, i virus, dal canto loro, rappresentano una componente fondamentale della biosfera e delle dinamiche evolutive.
Per chi studia il mondo vegetale, conoscere questi organismi significa comprendere meglio anche le piante: la loro origine, la loro evoluzione, il loro metabolismo, le loro relazioni con il suolo e con gli altri organismi e persino alcune delle malattie che possono colpirle.
La botanica, infatti, non può essere considerata come lo studio isolato delle piante visto che, per comprendere davvero il regno vegetale, è necessario inserirlo nella grande storia della vita sulla Terra, una storia nella quale anche gli organismi più piccoli hanno avuto e continuano ad avere un ruolo immenso.