La magnetoricezione e l’evoluzione delle piante: influenza della polarità del campo geomagnetico nell’evoluzione delle specie vegetali

di Donato Barone

 

Sulla rivista Trends in Plant Science è stato pubblicato un breve articolo a firma di A. Occhipinti, A. De Santis, e M. E. Maffei

 

Magnetoreception: an unavoidable step for plant evolution? (a pagamento)

 

Tutti gli esseri viventi che popolano la Terra sono immersi nel campo magnetico generato dalle correnti elettriche associate ai flussi turbolenti che si sviluppano nel nucleo metallico fuso del nostro pianeta. Il campo magnetico terrestre è di fondamentale importanza per lo sviluppo della vita e per la sua conservazione in quanto è in grado di deflettere le particelle ad alta energia provenienti dallo spazio impedendo che esse interagiscono con le cellule viventi. Tali particelle (raggi cosmici, in modo generico e vento solare) hanno, infatti, grosse capacità mutagene in quanto capaci di interagire con le molecole di DNA degli organismi viventi.

In realtà la dizione campo magnetico terrestre è piuttosto generica ed imprecisa. Molto più appropriato, invece, il riferimento, contenuto anche nell’articolo di A Occhipinti et al. alla ionosfera ed alla magnetosfera: la prima è la regione dello spazio più vicina alla superficie terrestre (si sviluppa tra i 60 ed i 400 km dalla superficie terrestre) e, come ci dice il suo nome, è caratterizzataa da particelle ionizzate dal vento solare e, in misura minore, dai raggi cosmici); la seconda, invece, si sviluppa per migliaia di chilometri nello spazio ed interagisce principalmente con il vento solare e con il campo magnetico interplanetario generato dal Sole.

 

Questo “involucro” protegge la fragile vita che si sviluppa sulla Terra, ma questa protezione non è costante. Con periodicità di circa 300.000 anni, infatti, il campo magnetico inverte la sua polarità. Durante questi periodi di inversione del campo magnetico la superficie terrestre resta esposta all’azione del vento solare e dei raggi cosmici che hanno campo libero e possono esplicare ai massimi livelli la loro azione mutagena: in questi periodi, pertanto, si generano forti accelerazioni nell’insorgenza di nuovi caratteri morfologici delle strutture viventi sui quali possono agire i meccanismi della selezione ambientale. Detto in altri termini i periodi di inversione del campo magnetico terrestre sono caratterizzati da un alto tasso di speciazione.

 

A. Occhipinti et al., nel loro articolo, in particolare, fanno notare che l’ultima inversione del campo magnetico terrestre si è verificata circa 780.000 anni fa per cui bisogna attendersi una nuova inversione della polarità magnetica terrestre da un momento all’altro (momento geologico, ovviamente). Misurazioni effettuate hanno consentito di accertare che negli ultimi 1000 anni l’intensità del campo magnetico terrestre è diminuita sensibilmente per cui gli studiosi sono del parere che entro un migliaio di anni, dovremmo avere una nuova inversione della polarità del campo magnetico terrestre. Acclarato che la mancanza del campo geomagnetico è in grado di influenzare pesantemente la vita terrestre, gli autori dell’articolo si chiedono se esso stesso sia in grado di influenzare lo sviluppo  degli esseri viventi o, per essere più precisi, se le sue polarità (normale ed invertita) siano capaci di esercitare pressione evolutiva sulle specie.

 

L’intensità del campo magnetico terrestre è molto bassa (poche decine di mT) per cui è molto improbabile che esso sia in grado di interagire direttamente con la materia vivente: allo stato dell’arte tale eventualità viene esclusa del tutto. Ciò non significa, però, che la materia vivente sia insensibile al campo magnetico. Nel caso degli animali (soprattutto uccelli) si sono individuati dei meccanismi in grado di spiegare l’interazione dei campi elettromagnetici con i processi biologici. Emblematico appare il  caso delle molte specie di uccelli migratori che sembrano sensibili al campo magnetico terrestre ed utilizzano questa loro attitudine per orientarsi nei lunghi viaggi continentali ed intercontinentali.

 

Il meccanismo individuato dagli studiosi e condiviso da A. Occhipinti et al. è basato su di una proteina o pigmento detto criptocromo. Esso è un fotorecettore sensibile alla radiazione luminosa verde-blu dello spettro ed ai raggi ultravioletti che è stato individuato negli occhi degli animali. Sottoposta all’azione della radiazione luminosa, questa proteina è in grado di modificare il suo stato biochimico in modo molto rapido per cui le reazioni che la coinvolgono possono essere governate dalla meccanica quantistica. In altri termini gli elettroni degli atomi costituenti la proteina modificano il proprio spin sotto l’azione dei debolissimi campi magnetici all’interno dei quali si muovono gli animali. Se esiste un termine di paragone piuttosto stabile, gli elettroni si comportano come delle minuscole bussole che consentono all’animale di acquistare sensibilità alla direzione ed intensità del campo magnetico e, in ultima analisi, di orientarsi. Alcuni studiosi hanno individuato nel superossido e, più in generale, nei radicali liberi che circolano negli organismi viventi, il termine di paragone, cioè un atomo a “spin nullo”.

 

I criptocromi sono delle proteine presenti anche all’interno delle piante. A Occhipinti et al., per esempio, analizzano il caso di Arabidopsis Thaliana, pianta molto utilizzata in campo scientifico, che mostra di essere sensibile alle variazioni di campo magnetico. Eliminando il campo magnetico terrestre, infatti, si è visto che si registrano anomalie nello sviluppo della pianta come, ad esempio, un ritardo nella fioritura che non si registra in individui di controllo esposti ad un regolare campo geomagnetico. Nella fattispecie sembrano ben tre i fotorecettori in grado di sviluppare comportamenti fisico-chimici paragonabili a quelli individuati negli uccelli.

 

A. Occhipinti et al. si chiede, a questo punto, perché un meccanismo di orientamento geomagnetico si sia sviluppato nelle piante: gli uccelli hanno bisogno di orientarsi nei loro lunghi viaggi, ma le piante, sostanzialmente, restano ferme per tempi lunghissimi certamente superiori alla durata della loro vita per cui, apparentemente, esse non hanno avuto alcun bisogno di sviluppare un meccanismo in grado di consentir loro di orientarsi. Le piante però sono organismi molto sensibili alle condizioni ambientali (gravità, temperatura, luminosità, ecc.) tanto che il loro sviluppo dipende fortemente da esse ed esse rappresentano i principali elementi di stress abiotico esogeno in grado di esercitare pressione evolutiva. Anche il campo magnetico terrestre potrebbe avere questo ruolo ed i criptocromi individuati nelle piante potrebbero essere indice dell’esistenza di meccanismi di pressione evolutiva ad opera del campo geomagnetico. Questa sensibilità ai campi magnetici delle piante, propone A. Occhipinti et al., potrebbe essersi sviluppata durante le forti variazioni del campo geomagnetico conseguente alle inversioni della sua polarità.

 

Non esistendo misurazioni affidabili dell’intensità della variazione del campo geomagnetico anteriormente al Giurassico, i ricercatori autori dello studio di cui stiamo discutendo, si sono concentrati sulle angiosperme, piante che si sono fortemente differenziate tra il Terziario ed il Cretaceo. Essi hanno scoperto che i periodi di maggior differenziazione delle angiosperme sono fortemente correlati con i periodi di normale polarità  del campo magnetico terrestre. Ciò porta A. Occhipinti et al. a concludere che la ricezione geomagnetica, al pari delle condizioni climatiche (temperatura, umidità, ventosità) e di quelle pedologiche, siano in grado di guidare la speciazione dei vegetali.

 

Basare una conclusione così forte su una semplice correlazione, però, è piuttosto rischioso e di ciò A. Occhipinti et al. si rendono perfettamente conto. Essi, infatti, propongono di effettuare studi molto approfonditi sulla biochimica vegetale allo scopo di individuare con precisione le reazioni a valle dell’attivazione del fotorecettore presente nelle varie specie vegetali: se si riuscisse, come per gli uccelli, ad individuare un meccanismo fisico in grado di spiegare la sensibilità delle specie vegetali al geomagnetismo, sarebbe confermata l’importanza delle inversioni del campo geomagnetico nella speciazione vegetale.

 

A. Occhipinti et al. propone, infine, un processo biochimico che appare piuttosto convincente e che coinvolge i criptocromi presenti nelle piante. La luce blu attiva il criptocromo tramite l’assorbimento di un fotone da parte del cofattore flavinico. Dopo l’attivazione due elettroni si spostano dalla superficie della proteina verso l’interno della stessa. Qui viene coinvolto anche il triptofano che cede altri elettroni e porta alla formazione, attraverso complessi meccanismi biochimici, di una coppia di radicali liberi in grado di fungere da elementi a spin nullo rispetto a cui misurare gli spin elettronici modulati dal campo geomagnetico. Il meccanismo proposto è plausibile, però, occorre tempo, pazienza e denaro per poter giungere ad affermare che le diverse polarità del campo magnetico terrestre (normale ed invertita) siano in grado di esercitare pressione evolutiva sulle piante.

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Author: Donato Barone

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11 Comments

  1. Grazie per quest’articolo Donato.
    Sebbene l’argomento sia certamente interessante, resto parecchio scettico sull’effettiva sensibilità ai campi magnetici (in genere, e non solo quello terrestre) dei vegetali. E’ possibile che molecole simile assolvano a compiti diversi in specie diverse. E i criptocromi trattati da Occhipinti et al., se è vero che in molti animali (soprattutto volatili, ma anche insetti) fungono da elemento sensibile al magnetismo, in molte piante sono i responsabili della regolazione del ritmo circadiano, fototropismo, ecc.
    Resto scettico, ma pronto a ricredermi qualora fosse dimostrata una reale correlazione.

    Gianluca Fusillo

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  2. Ricordando che magnetismo ed elettricità sono 2 aspetti dello stesso identico fenomeno, e che spesso tali vengono considerati, a chi fosse interessato vorrei segnalare un vecchio libro particolare e forse unico che tratta dello studio dell’influenza dei campi elettrici e magnetici sulle piante, dagli esperimenti fatti sulla germinazione sotto campi magnetici esterni, all’applicazione di conduttori metallici intorno alla piante per modificare il campo elettrico agente su di essa. Il libro in questione è un vecchio manuale hoepli dal titolo:
    L’influenza dell’elettricità sulla vegetazione e sui prodotti delle industrie agrarie. Arturo Bruttini. hoepli 1912

    Post a Reply
  3. Donato, grazie per il post. Ho imparato aspetti della vita delle piante che non immaginavo neppure. Ho letto l’articolo completo e mi è piaciuto, anche se non ho capito tutto, soprattutto quanto viene dato per scontato tra gli specialisti della materia. E’ un peccato che gli autori non abbiano prodotto – o non abbiano potuto produrre – una correlazione numerica dall’inset di fig.1B: dalla grafica io vedo (credo di vedere) produzione di specie di piante ben dentro i periodi di campo magnetico normale, ad esempio nel lungo periodo di normalità tra ~120 e ~85 Myr, mentre leggo che la speciazione dovrebbe avvenire nei periodi di rovesciamento di polarità, quando le cellule sono più esposte al vento solare e ai raggi cosmici. E’ ovvio che c’è un’evoluzione temporale dei cambiamenti, ma sulla scala di Fig. 1B il periodo evolutivo, per quanto ne so, dovrebbe essere breve, quasi impercettibile. A parte il periodo che ho citato, lo sviluppo descritto si accorda bene con le “evolutivamente rapide” successioni di campo normale e rovesciato e forse sarebbe possibile fornire un indice evolutivo numerico e costruire una serie temporale tra periodo, valore del campo magnetico ed evoluzione della (delle) specie vegetale(i). Ma forse sono troppo portato verso i numeri mentre qui non è il caso ..
    Franco

    Post a Reply
    • per gli amministratori: noto che l’ora del mio commento è 2:39 mentre io l’ho scritto alle 3:39.

    • Franco, invece credo che tu abbia centrato il problema: gli eventi di speciazione sono molto addentro agli eventi a polarità normale e l’indagine statistica eseguita dagli autori, stando a quanto essi dichiarano, dimostra una forte correlazione tra eventi di speciazione e polarità normale. In altre parole la speciazione non avviene nei brevissimi tempi dell’inversione di polarità, ma nelle epoche successive e, soprattutto, con polarità normale.
      Secondo me il meccanismo potrebbe essere il seguente: inversione di polarità –> azione mutagena –> speciazione durante le epoche successive mediante selezione evolutiva esercitata dal geomagnetismo. In questo meccanismo, però, sono privilegiate le epoche con normale polarità. Perchè? Credo che sia uno degli aspetti da approfondire negli studi successivi.
      Ciao, Donato.

    • Ciao Donato, scusami se mi permetto di dire la mia….
      Sono concorde con te riguardo al meccanismo di speciazione che hai proposto…ma non per intero…inversione di polarità -> azione mutagena-> speciazione PER SELEZIONE NATURALE dei genotipi mutati. Ritengo difficile una selezione per affinità con il campo geomagnetico. Non capisco come possa interagire in maniera così influente.

      Gianluca

    • Gianluca, il tuo meccanismo è molto più appropriato del mio, lo riconosco senza alcuna difficoltà e ti ringrazio per la precisazione.
      In questo e nell’altro commento esprimi scetticismo circa la selezione per affinità con il campo magnetico. L’articolo, però, non vuole dare delle risposte definitive, anzi esso si chiude con tre quesiti il cui senso dovrebbe essere più o meno il seguente:
      – perché le piante dovrebbero regolare i loro processi fisiologici in risposta a variazioni del campo geomagnetico?
      – Come il campo geomagnetico influenza lo sviluppo delle piante e quale ruolo giocano i meccanismi biofisici legati al criptocromo nella magnetoricezione
      delle piante?
      – Le variazioni geologiche del campo geomagnetico hanno un ruolo nell’evoluzione delle piante?
      Se non ho capito male sono i tuoi stessi dubbi.
      Ciao, Donato.

  4. Caro Donato, grazie perché il fenomeno che hai descritto è davvero curioso. Certo, mentre nei piccioni il significato evolutivo della sensibilità al campo geomagnetico si lega evidentemente al senso dell’orientamento, nelle piante la cosa mi pare meno facilmente spiegabile, a meno che la cosa c’entri con i meccanismi di geotropismo (es. tendenza della radici ad andare verso il basso).
    Per inciso segnalo che il lavoro che segnali, come moltissimi altri, riguarda Arabidopsis thaliana (http://it.wikipedia.org/wiki/Arabidopsis_thaliana), una piccola crucifera assai facile da studiare per genetisti e fisiologi e che tuttavia non so fino a che punto rappresentativa rispetto all’assai variegato universo delle angiosperme. Ciao.
    Luigi

    Post a Reply
    • Caro Luigi, non posso, né voglio sostituirmi agli autori dell’articolo, ma dal contesto che emerge dal loro lavoro credo che essi siano perfettamente consci dei limiti del loro studio: essi lo concludono, infatti, con una serie di domande dalle quali traspaiono i dubbi che sono anche quelli da te espressi. Lavori in corso, in altri termini. 🙂
      Ciao, Donato.

  5. Per un refuso pedologia è diventato podologia. Mi scuso per l’errore di cui mi sono reso conto solo dopo la pubblicazione del post.
    Ciao, Donato.

    Corretto.
    Admin

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