Dopo la prima parte dedicata alla nostra reazione al freddo e alle tecnologie che abbiamo sviluppato per sopravvivere al gelo, in questa seconda puntata cerchiamo di capire quali sono le strategie e gli accorgimenti che animali e piante hanno sviluppato per sopravvivere nei climi più rigidi. Per questa panoramica così variegata abbiamo intervistato Sara Borin, esperta di ambienti estremi del DiSTAM della Facoltà di Agraria di Milano (microrganismi che amano il freddo), Eva Pisano, docente di biologia al DIPTERIS (Dipartimento per lo studio del Territorio e delle sue Risorse)  dell’Università di Genova (pesci antartici) e Roberto Bargagli, direttore del Dipartimento di Scienze Ambientali dell’Università di Siena (piante e gelo). Scorri in fondo all’articolo per le domande di comprensione.

Ci sono animali che vivono, forse dovremmo dire prosperano, proprio sotto zero, quando noi invece battiamo i denti. La loro storia evolutiva ci parla di adattamenti spinti in questa direzione. Colpisce quindi lo studio pubblicato su PNAS di questi giorni, che rileva come l’uomo abbia portato con sé in Antartide semi di piante aliene che starebbero colonizzando in maniera anomala questi luoghi.

Quali sono i microrganismi che vivono a temperature glaciali?
Sara Borin (SB): Gli organismi che vivono negli ambienti freddi si devono adattare a condizioni denominate “estreme”, lontane dalle temperature fisiologiche per l’uomo. Gli organismi che vivono negli ambienti estremi - non solo quelli freddi, ma anche quelli molto caldi o salati o acidi per esempio - vengono per questo chiamati estremofili, letteralmente "amanti degli estremi". Molti estremofili sono così ben adattati al loro habitat che non sopravvivono se portati alle nostre condizioni di vita. La definizione di ambiente estremo dipende quindi dal punto di vista: per un microrganismo che vive unicamente a temperature glaciali, sono le nostre latitudini a essere un luogo inospitale.
Esistono microrganismi chiamati psicrofili, che tollerano anche temperature inferiori a 0, ma non sopravvivono sopra i 20°C. Mentre microrganismi definiti psicrotolleranti riescono a sopravvivere sia al freddo sia a temperature calde, superiori ai 30°C. Una grande varietà di microrganismi psicrofili sono stati ritrovati in tutti gli habitat freddi della Terra, fondali oceanici, ghiacciai, suoli permanentemente congelati (permafrost), ed il loro studio è servito a scoprire diversi meccanismi per sopravvivere al freddo.

Esempio di ambiente estremo in cui albergano i batteri psicrofili: il permafrost (Immagine: blog di Barbara Scapellato)

Quali sono questi meccanismi?
SB: I microrganismi non riescono a mantenere all’interno della cellula una temperatura diversa dall’ambiente esterno. I problemi causati dalle basse temperature esterne per i microrganismi sono sia di tipo fisico, legati ai danni che i cristalli di ghiaccio possono provocare alle strutture cellulari, sia di tipo biochimico, spiegati dalla legge di Arrenhius, che stabilisce che la velocità delle reazioni chimiche è inversamente proporzionale alla temperatura.
Al freddo quindi gli enzimi cellulari rallentano l’attività, le proteine tendono a cambiare conformazione e le membrane cellulari si irrigidiscono, con conseguenti danni alla struttura delle macromolecole e la loro perdita di funzionalità. Per sopravvivere a questi effetti dannosi provocati dal freddo, gli psicrofili possiedono enzimi modificati attivi a basse temperature, e membrane cellulari più fluide che risentono meno dell’effetto di irrigidimento che condiziona il passaggio di sostanze tra interno ed esterno della cellula. Dato che a basse temperature la solubilità intracellulare dell’ossigeno aumenta, le cellule devono anche fronteggiare una maggiore concentrazione di molecole reattive e derivanti dalla incompleta riduzione dell’ossigeno, per esempio i radicali liberi, che danneggiano le macromolecole della cellula. Per evitare questi danni i batteri psicrofili possiedono particolari enzimi protettivi.

Un’ulteriore protezione dagli effetti deleteri del freddo è costituita dalla produzione, sia all’interno della cellula sia nell’ambiente circostante, di piccole molecole organiche con funzione di antigelo, denominate soluti compatibili, che abbassando la temperatura di congelamento dell’acqua limitano i danni causati dai cristalli di ghiaccio.
Un team di ricercatori appartenenti a laboratori italiani e spagnoli hanno scoperto che un batterio psicrofilo isolato in Antartide e capace di crescere a temperature vicine a 0°C, Oleispira antartica, produce come protezione dagli effetti del freddo una particolare proteina, appartenente al gruppo delle chaperonine.

Durante la sintesi proteica, le chaperonine (presenti in tutte le cellule) guidano la proteina neo-sintetizzata nel processo di riavvolgimento per farle assumere la struttura tridimensionale definitiva e funzionante. Nel caso dello studio italo-spagnolo è stato ipotizzato che le chaperonine della Oleispira antartica avessero un ruolo importante nel proteggere le proteine cellulari dagli effetti dannosi del freddo. Per confermare questa ipotesi i ricercatori hanno ingegnerizzato una coltura di Escherichia coli così da fargli produrre le chaperonine Cpn60 e Cpn10 di Oleispira antartica. Il batterio risultante era in grado di crescere a 4°C, temperatura normalmente proibitiva per Escherichia coli. Questa scoperta, oltre ad allargare le nostre conoscenze riguardo alle capacità degli organismi di resistere al freddo, ha anche grandi potenzialità per creare ceppi microbici ricombinanti capaci di crescere ed avere attività particolari anche in ambienti freddi.

Funzionamento delle chaperonine (Immagine: http://apbio-werle.wikispaces.com)

E i pesci che vivono in Antartide, che strategie adottano contro il freddo?
Eva Pisano (EP): I pesci sono il gruppo di  animali che più di tutti contribuisce alla biodiversità dei vertebrati. Se ne conoscono infatti oltre 25.000 specie distribuite in tutti gli ambienti acquatici del mondo; tuttavia solo pochi pesci, molto particolari, sono adattati alle condizioni uniche del mare che circonda l’Antartide. In questi luoghi la temperatura è di -2° C: la temperatura interna dei pesci, che sono animali eterotermi, è identica a quella esterna. Inoltre in questo ambiente marino particolare si formano in continuazione cristalli di ghiaccio che possono con facilità avviare un processo di congelamento, sia dall’esterno del corpo, per contatto, oppure dall’interno del corpo, dove cristalli di ghiaccio penetrano con facilità insieme al cibo ingerito o insieme all’acqua che irrora le branchie durante la respirazione.

La strategia di base messa in atto da questi animali è pertanto quella di evitare il congelamento. Come? Nel corso della loro storia evolutiva i progenitori degli attuali pesci antartici hanno avuto una mutazione in un tratto del loro DNA che codificava per alcuni enzimi digestivi pancreatici (simili al tripsinogeno); a seguito di questa modificazione il  tratto genico “anomalo” ha acquisito la capacità di codificare molecole con una particolare funzione, quella antigelo. Queste molecole sono piccoli glicopeptidi (tre aminoacidi legati a una molecola di zucchero) prodotti in grande quantità che si trovano nel sangue  e in tutti i liquidi corporei. Solo recentemente, dopo aver ricostruito la storia genetica dei geni codificanti queste proteine si è potuto verificare che questi antigelo biologici non vengono prodotti nel fegato, come si pensava in precedenza, ma dal pancreas, come del resto è logico, vista la loro lontana parentela genetica con enzimi digestivi pancreatici.

Come agiscono le molecole  antigelo dei pesci antartici?
EP: Le numerose piccole molecole antigelo in circolo nel corpo, una volta arrivate a contatto con cristalli di  ghiaccio all’interno del corpo, ne impediscono la possibilità di confluire e aumentare di dimensione, bloccando così il processo di congelamento.
L’azione di queste molecole abbassa la temperatura di congelamento di questi animali di circa un grado, portandola a circa -2° C, quindi a un valore più basso rispetto alla temperatura dell’acqua marina circostante.
Una volta superato il problema del congelamento a livello generale con l’acquisizione della capacità di sintetizzare queste proteine, altre strategie strutturali e funzionali molto importanti permettono lo svolgimento delle funzioni cellulari e metaboliche. Per esempio le membrane cellulari sono ricche di grassi insaturi che le rendono più fluide e gli enzimi sono modificati per essere attivi a basse temperature. In questi aspetti biochimici e cellulari, come si vede, complessi organismi eucarioti come i pesci non si comportano in modo molto diverso dai batteri, anzi c’è una forte convergenza nelle strategie adattative di organismi che sembrerebbero avere ben poco in comune.

Pagothenia borchgrevinki, specie endemica dell'ambiente criopelagico in Antartide (Immagine: Pisano et al, 2010. Fishes under the ice. The challenge of an extreme environment. DVD, Museo Nazionale dell'Antartide, Genova)

Secondo uno studio pubblicato su PNAS sono ben 200 le specie di piante presenti oggi in Antartide, introdotte per sbaglio dall’uomo. Come è possibile che si siano adattate così velocemente e grazie a quali meccanismi sopravvivono al freddo?
Roberto Bargagli (RB): Per affrontare il problema occorre distinguere le diverse zone biogeografiche: Antartide continentale, Antartide marittimo e sub-Antartide. L’Antartide continentale è un deserto freddo e soprattutto a causa della mancanza di acqua liquida, i microrganismi, le spore ed i pollini trasportati dal vento, dagli uccelli migratori o importati accidentalmente dall’uomo con gli aerei, le navi, i vestiti ed alcuni tipi di alimenti come le patate o altri vegetali, hanno scarsissime possibilità di svilupparsi. Nelle zone del continente dove solo per brevissimi periodi durante l’estate australe può essere disponibile dell’acqua liquida, possono crescere solo batteri, funghi microscopici, alghe, licheni e muschi. Molte specie non sono endemiche dell’Antartide (ma cosmopolite o bipolari) e come succede in altri ambienti estremi, esse riescono a sopravvivere al freddo ed al buio dell’inverno antartico in una forma di vita latente, in assenza o quasi di acqua nei tessuti (anidrobiosi), per poi riprendere il loro metabolismo non appena, in estate, tornerà disponibile l’acqua.

Le eccezioni riguardano habitat particolari come le zone con attività vulcanica e/o geotermale dove la presenza costante di vapore acqueo e le temperature elevate consentono lo sviluppo di comunità di organismi termofili (che tollerano temperature > 45°C) come batteri, cianobatteri e alghe. In alcune aree geotermali non troppo distanti dalla base antartica italiana Mario Zucchelli abbiamo trovato due specie di muschio e le analisi genetiche del materiale raccolto indicano che queste, probabilmente, provengono da popolazioni della stessa specie situate a migliaia di chilometri di distanza in aree vulcaniche del sub-antartide.

Il muschio Pohlia nutans nelle fumarole del Monte Rittmann su un substrato con temperatura di 38.9°C (Immagine: Roberto Bargagli)

Nello studio di PNAS si parla invece di Antartide marittimo e sub-antartide (costa occidentale della Penisola Antartica e le molte isole che circondano il continente). Questi territori sono caratterizzati da condizioni ambientali meno estreme (disponibilità di acqua e temperature spesso >0°C) e quindi, anche da maggiore biodiversità. Nell’Antartide marittimo vi sono due specie di piante erbacee e la biodiversità della flora e della fauna aumenta considerevolmente nelle isole sub-antartiche. Queste infatti, si trovano alla stessa latitudine e con condizioni climatiche ed ambientali abbastanza simili a quelle della Scandinavia o di altre regioni antropizzate dell’emisfero settentrionale. Quindi la presenza di circa 200 specie “aliene” negli ecosistemi terrestri delle isole sub-antartiche riportata non deve sorprendere, si tratta per lo più di piante erbacee invasive su scala globale (soprattutto Poaceae ed Asteraceae) già pre-adattate alle condizioni ambientali di isole come le Kerguelen o le Crozet. Siccome lo studio delle specie aliene è stato rivolto soprattutto alle piante superiori ed alla macro-fauna, molto probabilmente, nei prossimi anni nelle isole sub-antartiche verranno scoperti molti altri “invasori”, specialmente tra batteri, microinvertebrati terrestri, alghe, funghi, licheni, epatiche e muschi.

Quali sono i rischi, se esistono, nell’introduzione di queste specie aliene?
RB: La presenza dell’uomo nelle aree con anomalie geotermiche dell’Antartide continentale comporta dei rischi perché l’umidità e la temperatura potrebbero favorire lo sviluppo di funghi ed altri microrganismi che tutti noi, più o meno inconsapevolmente, ospitiamo. Alcuni di questi sono dei patogeni e l’uomo come gli uccelli ed i mammiferi (marini) migratori possono favorire il manifestarsi di epidemie nella fauna antartica che, essendosi evoluta in isolamento, risulta particolarmente vulnerabile. Per esempio, la morte di alcune centinaia di pinguini (Chinstrap Penguin) a South Georgia, in una zona frequentata anche da turisti, fu attribuita a Pasteurella multocida, batterio responsabile del colera aviare e che può infettare anche l’uomo.

Gli ecosistemi terrestri antartici comprendono poche specie di piante ed animali ed hanno scarsa capacità di omeostasi, quindi, sono particolarmente esposti agli effetti dei cambiamenti climatici ed alla colonizzazione da parte di specie invasive pre-adattate. Per questo motivo il Trattato Antartico impedisce l’introduzione volontaria di specie vegetali e animali; ma come dimostra lo studio pubblicato su PNAS, le introduzioni da parte di turisti e ricercatori avvengono anche in modo accidentale, mediante gli abiti (soprattutto le chiusure in velcro e le tasche), le scarpe, i bagagli e le attrezzature.

Anche i gatti sono una specie aliena in Antartide (Imamgine: TOOG)

Nel Trattato Antartico, il Protocollo per la Protezione dell’Ambiente (Protocollo di Madrid ) è entrato in vigore solo nel 1998 e nei due secoli  precedenti non c’erano state solo introduzioni accidentali per esempio di topi e ratti, ma anche intenzionali. Chi andava in quelle regioni (per esplorazione, pesca, caccia di foche, balene e successivamente anche per attività di ricerca) trasportava intenzionalmente molte specie vegetali e animali per scopi alimentari o semplicemente ricreativi. In molte isole sub-antartiche per esempio sono tuttora presenti gatti, conigli, mufloni, renne, pecore e vacche. Considerando gli effetti di queste introduzioni nella flora e nella fauna dell’Australia e della Nuova Zelanda è facile comprendere l’impatto che queste hanno determinato negli ecosistemi delle isole sub-antartiche. In alcune di queste, già da alcuni anni sono stati avviati interventi di eradicazione di piante e mammiferi alieni.

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Immagine dell’iceberg in apertura: Jacopo Pasotti