La tua idea di evoluzione è ferma a Darwin?

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Le osservazioni e le analisi di Darwin pubblicate su L’origine delle specie sono state geniali e hanno aperto la porta a una visione completamente nuova della storia della vita sul nostro pianeta. Hanno cambiato la visione dell’umanità, in cui le specie erano considerate statiche, per scoprire che invece sono dinamiche: emergono, si evolvono e si estinguono.

Tuttavia, ai tempi di Darwin, la microbiologia in quanto tale non esisteva. Ok, Antoni van Leeuwenhoek aveva già osservato gli animalcules quasi due secoli prima, ma era stato ampiamente ignorato. 

La batteriologia inizia a prendere forma soltanto dopo Louis Pasteur, all’inizio del XX secolo, quando viene coniato il termine microbo. Nel 1923, David Bergey crea una guida di riferimento sui batteri, uno strumento ancora oggi modificato e utilizzato dalla maggior parte dei microbiologi.

Darwin, quindi, non poteva conoscere la grande importanza dei microbi nell’evoluzione della vita. Non poteva osservarli e non poteva riservare loro il giusto spazio sull’Albero della Vita. La nostra visione attuale dell’evoluzione è quindi rimasta “congelata” per 160 anni, dominata dagli animali e con l’egocentrico Homo sapiens in cima.

Questo è un problema. Perché non riflette la realtà e perché non consente all’umanità di cogliere l’importanza e il potenziale che i microbi hanno avuto nel nostro passato, hanno nel presente e avranno nel futuro.

Nel 2019 un team di scienziati di alto livello ha illustrato molto bene il problema in un articolo intitolato The urgent need for microbiology literacy in society, in cui si afferma che:

«La conoscenza delle fondamentali attività dei microbi, del modo in cui hanno un impatto sulle nostre vite e di come possono essere sfruttate a beneficio dell’umanità – l’alfabetizzazione microbiologica – è carente nella popolazione generale e nei gruppi che prendono le decisioni.

È indispensabile, affinché le persone possano prendere decisioni personali informate, nonché per lo sviluppo delle politiche dei governi e delle imprese e per un contributo consapevole di tutte le parti della società interessate in tale processo decisionale».

La vera origine delle specie

Come meravigliosamente raccontato da Lynn Margulis e Dorion Sagan nel libro Microcosmos: Four Billion Years of Microbial Evolution (University of California Press, 1997), l’inizio della vita fu un’associazione casuale e progressiva di molecole organiche stabili che diedero origine a microrganismi autopoietici – organismi in grado di autoconservarsi e autoreplicarsi, che poi hanno inventato tutte le “macchine metaboliche” che c’erano da inventare (per approfondire, Life’s Engines di Falkowski si concentra proprio su questi risultati di ricerca e sviluppo).

Si pensa che il primo microrganismo risalga a circa 3,7 miliardi di anni fa. Il suo nomignolo è Luca, (Last Universal Common Ancestor) ovvero l’ultimo antenato comune universale.

Da questo primo essere vivente, la capacità dei batteri di scambiare materiale genetico orizzontalmente e di dividersi e conquistare molto rapidamente nuovi territori li ha portati a colonizzare ogni angolo della Terra e a cambiarla profondamente. I cianobatteri per esempio hanno sviluppato la capacità di utilizzare l’idrogeno dall’acqua, rilasciando ossigeno come prodotto di scarto. E l’ossigeno, essendo altamente ossidante, causa mutazioni e danneggia le cellule, per questo motivo è tossico per l’intero regno vivente.

L’aumento dei livelli di ossigeno nell’atmosfera ha portato a un’enorme crisi biologica, con tutti gli organismi incapaci di sfuggire al composto mortale. Ma, come accade con tutte le crisi biologiche (a qualcuno viene in mente la “zona di comfort”?), la sua presenza ha dato il via alla selezione di innovazioni che avrebbero guidato il resto dell’evoluzione sulla Terra per i miliardi di anni a venire: i flagelli per allontanarsi, i mitocondri per respirare (bruciando le molecole organiche in anidride carbonica e acqua) e produrre fino a 36 molecole energetiche (ATP), contro le 2 che si producevano con la fermentazione.

Il pianeta è stato un mondo abitato solo da batteri diversificati per quasi i primi 2-3 miliardi di anni di vita sulla Terra. Il primo organismo multicellulare, una sorta di ammasso di batteri mobili che forma una palla, è datato 1 miliardo di anni fa. Ciò significa che circa il 70% del tempo in cui la vita è esistita, esisteva solo come batteri unicellulari.

Fig.1

Quello che è successo dopo è assolutamente affascinante e rappresenta la lotta per la vita ipotizzata da Lynn Margulis. La sua teoria è stata completamente respinta e lei ha lottato per tutta la vita contro il pensiero corrente della società. 

La sua ricerca non poteva ottenere finanziamenti, i suoi articoli non potevano trovare editori. Studiando le cellule eucariotiche – quelle cellule di cui siamo fatti noi, le piante, i funghi: cellule con un nucleo – e i loro organelli, ha formulato tre ipotesi, successivamente convalidate, che avrebbero cambiato per sempre la visione dell’albero della vita:

La teoria dell’endosimbiosi: i mitocondri sono batteri che hanno infettato batteri più grandi

Nel brodo primordiale, i batteri nuotavano, circondati da altri batteri. Affamati, si depredavano a vicenda e si infettavano a vicenda costantemente. Il batterio che aveva appena inventato la respirazione (ricordate, quella capacità non solo di sopravvivere se esposto all’ossigeno, ma di sfruttarlo al meglio per produrre una tonnellata di energia) deve aver penetrato e infettato molti altri batteri, come il Termoplasma. Uccidendone migliaia. Una sorta di pandemia di Covid-19 negli oceani primordiali. Ma quando era così aggressivo da uccidere il suo ospite, moriva insieme a lui. Così quelli meno aggressivi, che riuscivano a trovare un equilibrio, iniziarono a diffondersi maggiormente e a vivere in armonia con il loro ospite. Cominciarono a essere addomesticati, tollerati. Sono persino diventati utili, assicurando una generosa fornitura di ATP. Oggi le nostre cellule contengono alcune centinaia di mitocondri, che assomigliano ancora ai batteri e si replicano come i batteri.

Fig.2: The inside of the cell, image from Digizyme

Un’altra endosimbiosi, questa volta per ingestione: i cianobatteri diventano cloroplasti

Circa cento milioni di anni dopo l’installazione dei mitocondri nel cuore dei loro ospiti, un nuovo tipo di organismo stava per unirsi a loro nell’accogliente citoplasma di tali cellule. Un proto-eucariote affamato ha ingerito una sorta di cianobatterio, un plastide fotosintetico blu-verde, che ha resistito alla digestione. Una volta nell’ospite, questo antenato di Prochloron poteva ancora catturare la luce e rimanere attivo. Produceva energia attraverso la fotosintesi e diede origine ai cloroplasti, gli organelli presenti in tutte le piante e responsabili della fotosintesi. Questa nuova simbiosi ha generato l’intero regno delle piante. Oggi sono i cianobatteri e la loro progenie sotto forma di piante che forniscono ossigeno alla biosfera.

«Da un punto di vista planetario, il ruolo principale dei mammiferi sembra essere quello di fertilizzare le piante e trasportare i mitocondri». Lynn Margulis.

Dai flagelli alla motilità, alla sessualità e al sistema nervoso

Una delle principali innovazioni degli oceani primordiali, da un miliardo di dollari, è stata la motilità. Ha dato la possibilità di avvicinarsi alle fonti di cibo e strisciare lontano dai posti sbagliati, dai predatori e dall’ossigeno tossico. È successo grazie allo sviluppo dei flagelli da parte del gruppo chiamato Spirochetes. I flagelli sono una coda attaccata alla parete cellulare da un meccanismo in una struttura circolare, chiamata 9+2, che ruota. L’agitazione del flagello spinge la cellula in avanti.

Perché questo è importante? Perché questa struttura si trova in tutto il regno vivente e non potrebbe essersi evoluta separatamente nei protisti, nelle piante e negli animali. Pertanto, l’infiltrazione di spirochete in altre cellule, similmente agli antenati dei mitocondri, avrebbe causato un’infezione diffusa e la morte e, in alcuni casi, l’interiorizzazione di una struttura che si sarebbe poi rivelata utile.
L’interno della cellula eucariotica inizia a muoversi come una città. Gli organelli circolano su percorsi pre-determinati, fisicamente incarnati dal microtubulo (Fig.2). Questa strada consente la divisione del materiale genetico dalle cellule madri alle cellule figlie negli eucarioti. Ciò era necessario per la mitosi e la meiosi, i due tipi di divisione delle cellule eucariotiche, e spiega l’invenzione della sessualità.
Anche gli assoni e i dendriti del cervello sono composti da microtubuli chiamati neurotubuli. Il ruolo di tali cellule è quello di inviare e ricevere segnali: i tubuli potrebbero essere come una frusta cellulare per veicolare il pensiero.

Conclusione

Dopo l’invenzione dei mitocondri, dei cloroplasti e della motilità, il resto dell’evoluzione della vita è solo un dettaglio. L’interno e le funzioni delle nostre cellule sono quasi le stesse. L’omologia genetica tra te e il verme C. elegans è dell’83%. Adesso è chiaro che l’albero della vita in cima sia sbagliato? Il suo aspetto più veritiero, ora che è stata coinvolta la biologia molecolare, è questo.

Traduzione a cura di Marco Pignatti

Nina Vinot
Prima di entrare nel mondo delle aziende, Nina Vinot si è dedicata alla ricerca sulla nutrizione umana alla Penn State University, USA, al French National Center for Scientific Research (CNRS) e al National Institute for Agronomic Research (ora INRAe). Nina si è laureata in ingegneria presso l’AgroParisTech, Paris Institute of Technology for Life, Food and Environmental Sciences. Dopo più di 6 anni nello sviluppo e produzione di supplementi probiotici venduti in tutta Europa da Probiotical, oggi è direttore vendite internazionali della biotech francese TargEDys e ambasciatrice di precision probiotics.

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