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livello elementare
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ARGOMENTO: BIOLOGIA MARINA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA:
parole chiave: invertebrati, tardigradi
Le future missioni spaziali e la creazione di avamposti extraterrestri dipenderanno anche dagli studi delle capacità di alcuni organismi di sopravvivere a condizioni ambientali estreme. Tra i modelli animali più promettenti troviamo i Tardigradi, minuscoli invertebrati noti per la loro incredibile “resistenza”.
Hypsibius dujardini, SEM di Willow Gabriel http://tardigrades.bio.unc.edu/ Fonte: https://www.flickr.com/photos/waterbears/1614095719/ – Autore: Willow Gabriel, Goldstein Lab Hypsibiusdujardini.jpg – Wikimedia Commons
Nel 1777, il biologo italiano Lazzaro Spallanzani coniò il termine tardigradi, per i loro lenti movimenti. I Tardigradi, forse più conosciuti come orsi d’acqua o maialetti del muschio, si nutrono di cellule della flora e della fauna, di batteri e, talvolta, anche di altri tardigradi. Il loro corpo, di circa mezzo millimetro, è organizzato in quattro metameri, ciascuno portante una coppia di zampe, per un totale quindi di otto zampette tutte dotate di robuste unghie.
anatomia di un tardigrado – Autore Chiswick Chap Tardigrade anatomy.svg – Wikimedia Commons
Possiedono un rivestimento trasparente e colorato, che varia dal rosa al giallo, al grigio, o addirittura al viola, composto da uno strato di proteine permeabili. Quasi tutti i tardigradi hanno occhi, anche se sono molto semplici e sono costituiti da una o due cellule sensibili alla luce. Questi organi, chiamati ocelli, situati nella parte anteriore del corpo, permettono ai tardigradi di percepire la luce, anche se non sono in grado di formare delle immagini.
Immagine SEM di Milnesium tardigradum in stato attivo – Fonte: Schokraie E, Warnken U, Hotz-Wagenblatt A, Grohme MA, Hengherr S, et al. (2012) Analisi comparativa del proteoma di Milnesium tardigradum in stato embrionale precoce rispetto agli adulti in stato attivo e anidrobiotico. PLoS ONE 7(9): e45682. doi:10.1371/journal.pone.0045682 – Autore: Schokraie E, Warnken U, Hotz-Wagenblatt A, Grohme MA, Hengherr S, et al. (2012)
Praticamente cosmopoliti, questi animaletti, di cui si conoscono circa 900 specie, vivono in diverse regioni della biosfera terrestre, dalle cime montuose alle acque profonde, dalle foreste pluviali tropicali al gelido Antartide. I tardigradi sono presenti nei muschi e nei licheni; sono stati ritrovati nelle acque calde dei geyser ed in Antartide a circa -40 °C. Di fatto i tardigradi sono tra gli animali più resistenti conosciuti, in grado di sopravvivere a condizioni estreme, esposizione a temperature e pressioni estreme (possono resistere a temperature calde fino a 151°C) in privazione di aria e acqua (è stato stimato possano sopravvivere senza acqua per più di 120 anni) e cibo. In condizioni di estrema siccità, i tardigradi entrano in stato di vita ametabolico detto “Criptobiosi”; si accartocciano per ridurre la superficie corporea, ritirando le zampette (di fatto riducendo la superficie per rallentare l’evaporazione dell’acqua) ed assumendo la forma di un bozzolo.
Criptobiosi. Una volta disidratati, i tardigradi terrestri ritirano le zampe ed entrano in uno stato di “bozzolo”. Possono rianimarsi rapidamente se nuovamente umidificati, 2024 Fonte e Autore Chiswick Chap Tardigrade anhydrobiosis cycle.svg – Wikimedia Commons
In pratica, le loro attività metaboliche si arrestano, fino a quando necessario, in una sorta di “ibernazione”. Altro comportamento straordinario è la loro capacità di modificare l’idratazione delle loro membrane cellulari grazie a delle specifiche proteine, facenti parte della classe delle cosiddette “proteine intrinsecamente disordinate”, che essendo prive di una struttura tridimensionale fissa, fanno evitare la cristallizzazione dei minerali contenuti nel corpo (che distruggerebbe le cellule), e bloccano le sostanze in una forma di “liquido sottoraffreddato”, simile al vetro. Un’altra straordinaria caratteristica è quella di essere in grado di sopportare alti livelli di radiazione (anche centinaia di volte più alti di quelli che ucciderebbero un essere umano (fino a 6000 Gy) cosa che gli consentirebbe di vivere anche nello spazio, come dimostrato da un esperimento condotto da degli scienziati della Kristiansand University svedese che hanno spedito alcuni tardigradi nello spazio a bordo della sonda FOTON-M3 dell’European Space Agency (ESA). Una volta tornati sulla Terra, i tardigradi sono stati “risvegliati” dal loro stato di vita latente per comprendere come questi minuscoli animali avevano reagito alle radiazioni UV e ai raggi cosmici – oltre che all’assenza d’aria – sopravvivendo ad una permanenza nello spazio. Una ricerca ancora in corso che ha ancora molti punti oscuri.
In sintesi, i tardigradi sono in grado di sopravvivere in condizioni che ucciderebbero rapidamente la maggior parte delle altre forme di vita. Ragione di più per studiarli e comprendere i loro meccanismi di adattamento.
Questi animali, estremamente diffusi e facilmente osservabili (in realtà basta un semplice microscopio ottico), sono studiati da molti ricercatori per comprendere i segreti della loro sopravvivenza. Essi potrebbero infatti fornire soluzioni innovative per sostenere la vita nello spazio, prestando i loro “superpoteri” genetici a organismi utili per alimentare e supportare astronauti e futuri coloni spaziali.
Comprendere i geni coinvolti nella resistenza dei tardigradi all’IR è essenziale per svelare i meccanismi della loro eccezionale resilienza. L’espressione della proteina tardigrada TDR1 nelle cellule umane aumenta la riparazione dei danni al DNA. (A) Nei tardigradi, l’esposizione alle radiazioni ionizzanti o al farmaco bleomicina provoca danni al DNA, come rotture a doppio filamento (riquadro circolare). Questo attiva vari geni (triangoli) che riparano il genoma, incluso il gene che codifica per una proteina chiamata TDR1 (triangolo rosso). (B) Anche il trattamento con bleomicina (rappresentato da fulmini) causa rotture a doppio filamento del DNA nelle cellule umane. Tuttavia, queste non possono essere riparate in modo efficiente, con conseguente morte cellulare. (C) Anoud et al. hanno scoperto che l’introduzione del gene per TDR1 nel genoma delle cellule umane aumenta la loro capacità di riparare i danni al DNA e le loro probabilità di sopravvivenza. da Comparative transcriptomics reveal a novel tardigrade specific DNA-binding protein induced in response to ionizing radiation. da Anoud et alii. – doi:10.7554/eLife.92621
L’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha avviato il progetto “Yeast Tardigrade Gene” (gene del tardigrado nel lievito), volto a esplorare il potenziale di un enzima fondamentale per il funzionamento dei mitocondri che sono le centrali energetiche delle cellule. L’obiettivo è trasferire questa peculiarità al lievito “Saccharomyces cerevisiae”, un organismo modello già molto utilizzato in genetica e biotecnologia. Grazie all’editing genetico, si punta a rendere il lievito più resistente, aprendo la strada a future applicazioni per colture agricole destinate agli ambienti ostili, come Marte. Dopo l’editing genetico (modifica DNA), il lievito verrà coltivato sulla ISS (Stazione Spaziale Internazionale) e quindi riportato sulla Terra per le analisi post-permanenza spaziale. Secondo “MIT Technology Review”, le implicazioni di questa ricerca sono importantissime perchè consentirebbero di consentire a piante alimentari terrestri di prosperare su suoli extraterrestri, di fatto creando nuove fonti di alimentazione resistenti ad eventuali sostanze tossiche presenti nel suolo. Alcuni studiosi ritengono che, in un lontano futuro, l’uomo possa modificare il proprio genoma per prosperare su pianeti inospitali. A tal riguardo, i notevoli progressi nel campo della manipolazione genetica consentono una tecnica innovativa chiamata DIPA-CRISPR, in cui le modifiche genetiche vengono trasmesse direttamente alla progenie senza necessità di accoppiamento (partenogenesi). Una tecnica che sarebbe facilitata sui tardigradi grazie alla loro capacità di riprodursi per partenogenesi (ovvero la femmina depone le uova che si sviluppano senza bisogno di essere fecondate).
In conclusione questi animaletti sono una fonte speciale di ispirazione per studi che potrebbero aiutarci a superare le sfide più ambiziose che lo spazio ci riserva: l’esplorazione e la colonizzazione di nuovi mondi. Studiandoli sarà possibile non solo comprendere meglio i limiti della vita, ma anche immaginare applicazioni concrete per migliorare la nostra capacità di adattamento ad ambienti ostili. Probabilmente il genere umano, se non si distruggerà prima, scomparirà fra … un miliardo di anni, ma gli orsetti d’acqua, continueranno a sopravvivere, grazie alla loro tempra d’acciaio!
Vincenzo Popio
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in anteprima Tardigrado dell’ordine degli Echiniscoidi in campo scuro, 2023 Fonte: Opera propria – Autori: Brandon Antonio Segura Torres e Priscilla Vieto Bonilla Tardigrado del orden Echiniscoidea en campo oscuro.jpg – Wikimedia Commons
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1 Scoprire il meccanismo del glicerolo dei tardigradi potrebbe trovare applicazioni anche in ambiti inaspettati, come la conservazione degli organi per i trapianti.
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.