Alcuni biologi sostengono che “neurobiologia” è stato definito in modo troppo riduttivo
Mimosa pudica, chiamato anche sensibili impianto o touch-me-not, piega le foglie rapidamente quando meccanicamente disturbato. Poche piante mostrano movimenti così rapidi, anche se molte—come quelle che aprono e chiudono le loro fioriture in base all’ora del giorno-rispondono con movimenti più lenti agli stimoli ambientali.,
Adattato con il permesso del cervello: Big Bangs, comportamenti e credenze, da Rob DeSalle e Ian Tattersall, pubblicato da Yale University Press. Copyright © 2012 di Rob DeSalle e Ian Tattersall
Alcune persone pensano che le piante rispondano al parlare, al suonare musica e ad altre forme di attenzione umana. E sebbene le piante probabilmente non elaborino il linguaggio umano, sono comunque molto consapevoli dell’ambiente circostante e sono molto capaci di comunicare tra le loro cellule., Inoltre, alcuni scienziati pensano che il sistema di comunicazione interno di una pianta sia molto vicino a quello che potremmo legittimamente chiamare un sistema nervoso. Dopo tutto, alcune mimose sono famose per ritrarsi rapidamente dopo essere state disturbate, e i flytrap di Venere reagiscono rapidamente alla presenza di insetti nei loro dispositivi di cattura. Charles Darwin fece osservazioni comparabili e propose idee simili sulle piante., In uno dei suoi meno noti opere, Il Potere di Movimento nelle Piante (1880), ha scritto circa la radichetta, embrionale radice di una pianta, e la sensibilità di punta per i diversi tipi di stimolazione:
Non è esagerato affermare che l’estremità della radichetta così dotato, e di avere il potere di dirigere i movimenti delle parti adiacenti, agisce come il cervello di uno degli animali inferiori; il cervello si è seduti all’interno l’estremità anteriore del corpo, ricevendo impressioni dagli organi di senso, e dirigere i vari movimenti.,
Darwin stava dicendo che la radicola non solo si comporta come un cervello dirigendo le funzioni di altre cellule, ma è anche posizionata nel posto corrispondente nell’anatomia della pianta. Alcuni botanici moderni hanno esteso questa idea. Nel 2005, il primo incontro internazionale di neurobiologia vegetale si è tenuto a Firenze, in Italia, e una nuova rivista, Plant Signaling and Behavior, è stata lanciata nel 2006. Cosa propongono i neurobiologi delle piante?
L’idea che le piante abbiano sistemi nervosi deriva da diverse fonti di informazione., In primo luogo, le piante hanno geni simili a quelli che specificano componenti del sistema nervoso animale. Tali componenti includono i recettori per il glutammato, un amminoacido che è uno dei mattoni delle proteine ma che funziona anche come neurotrasmettitore. Altri componenti sono attivatori della via del neurotrasmettitore, come quelli noti come proteine G-box e una famiglia di proteine “14-3-3”, che agiscono per legare varie proteine di segnalazione. Tutte queste proteine sono state osservate negli animali, in cui hanno dimostrato di avere ruoli distinti nella funzione neurale. Eppure si trovano anche nelle piante.,
In secondo luogo, anche se queste proteine più che probabilmente non hanno funzioni “neurali” nelle piante, alcune proteine vegetali si comportano in modi molto simili alle molecole neurali. In terzo luogo, alcune piante sembrano mostrare regioni simili a sinapsi tra le cellule, attraverso le quali le molecole dei neurotrasmettitori facilitano la comunicazione cellula-cellula. Incluso nel requisito per il confronto è che le regioni dovrebbero avere le stesse caratteristiche delle sinapsi animali, come la formazione di vescicole, piccole bolle che immagazzinano i neurotrasmettitori che devono essere rilasciati attraverso la sinapsi., In quarto luogo, molte piante hanno sistemi vascolari che sembrano poter agire come condotti per gli “impulsi” di cui hanno bisogno per trasmettere in tutto il corpo della pianta. Infine, alcune cellule vegetali mostrano ciò che potrebbe essere interpretato come potenziali d’azione-eventi in cui la polarità elettrica attraverso la membrana cellulare fa un’inversione rapida e temporanea, come avviene nelle cellule neurali animali.
L’illustrazione dal potere del movimento nelle piante mostra uno degli esperimenti di Darwin con una radichetta di fagioli., (A) Un piccolo quadrato di carta attaccato vicino alla punta provoca flessione lontano dalla carta, come se la radicola ha incontrato un ostacolo. (B) Col tempo, la flessione, che è effettuata non dalla crescita alla punta, ma da cellule più in alto la radicola, aumenta ad angolo retto. (C) Alla fine la punta inizia a piegarsi verso il basso attraverso l’azione del geotropismo. Con la radicola sospesa a mezz’aria, le cellule nella regione della curva non percepiscono direttamente la compressione contro un ostacolo, quindi è l’apice sensibile che avvia la loro risposta.,
Diamo un’occhiata a questi vari tipi di informazioni e a ciò che possono implicare per l’esistenza di funzioni simili al cervello nelle piante.
Non sorprende trovare geni nelle piante correlati a geni animali coinvolti nel sistema nervoso. In effetti, la conferma di questo fatto è stato uno dei primi risultati davvero interessanti dei vari progetti sul genoma. Il motivo per cui non è sorprendente è che tutta la vita sul pianeta è unita attraverso antenati comuni., Trovare geni in comune tra organismi ampiamente divergenti è ciò che ti aspetteresti con la discendenza da antenati comuni. Così un tipico genoma batterico risulta avere l’equivalente del 2 per cento o giù di lì dei suoi geni nel genoma umano. Per le piante il numero è di circa il 17 per cento, e per organismi come mosche e vermi il numero salta tra il 30 e il 40 per cento. Un altro modo per misurare la somiglianza dei genomi è quello di chiedere quanto le sequenze reali di basi nei geni di un genoma variano., Per i vertebrati, quando viene esaminata la somiglianza delle sequenze, il numero varia da circa l ‘ 85 per cento, per parenti lontani come i pesci, al 98,7 per cento, per lo scimpanzé e al 99,7 per cento per il nostro vicino parente estinto, Homo neanderthalensis. Ciò che non era così previsto, però, è l’ampia distribuzione delle principali categorie geniche che sono rappresentate sia nelle piante che negli animali.
Tuttavia, l’evoluzione può facilitare alcune notevoli “variazioni sui temi” con i geni., Se un gene produce una proteina coinvolta in un particolare processo nelle piante, il gene corrispondente in un animale o in un fungo non deve necessariamente produrre una proteina che ha la stessa funzione. Un esempio istruttivo sono i recettori del glutammato, che sono coinvolti nella sinapsi neurale animale e interagiscono con il neurotrasmettitore glutammato. Anche le piante hanno recettori del glutammato, ma se servono qualcosa come una funzione “neurale” è un’altra questione., Un esame della distribuzione di questa famiglia genica nei genomi di piante e animali ci mostrerà come le famiglie geniche possono divergere e come le funzioni di questi geni possono divergere troppo.
Negli animali questi recettori si trovano principalmente nell’estremità ricevente delle cellule nervose—la loro regione “postsinaptica”. Il glutammato viene trasportato attraverso la sinapsi, incontra i recettori e quindi eccita un potenziale d’azione, o cottura della cellula nervosa. Succede che due tipi principali di recettori del glutammato sono riconosciuti sulla base di come promuovono l’impulso postsinaptico., Il primo tipo è “ionotropico”: i recettori del glutammato allineano i pori del canale ionico attraverso la membrana cellulare della cellula nervosa ricevente e quando i recettori si legano al glutammato, i pori vengono attivati e gli ioni fluiscono attraverso di essi. Nei recettori “metabotropici”, i canali ionici vengono attivati più indirettamente, attraverso cascate di segnalazione che di solito sono legate alle proteine G (che legano la guanina, una delle quattro basi dell’acido nucleico).
Affinché il processo funzioni, i recettori del glutammato devono anche legare quelli che vengono chiamati agonisti., Esistono tre tipi principali di agonisti che interagiscono con i recettori del glutammato ionotropico: AMPA (alfa-ammino-3-idrossil-5-metil4-isossazolo propionato), NMDA (acido N-metil-D-aspartico) e kainato. Altri agonisti interagiscono con i recettori metabotropici. Esistono anche diverse versioni dei recettori del glutammato sia per le funzioni ionotropiche che metabotropiche, nonché diverse all’interno di quelle categorie funzionali specifiche per diversi agonisti. Quindi ci sono più versioni di geni per le proteine negli animali (che è ciò che viene chiamato una famiglia di geni)., Ad esempio, la maggior parte dei mammiferi ha sedici recettori ionotropici del glutammato: quattro che usano AMPA come agonista, sette che usano NMDA come agonista e cinque che usano kainato come agonista. Allo stesso modo, i topi e gli esseri umani hanno otto recettori metabotropici del glutammato, ognuno dei quali utilizza una varietà di agonisti.
Le piante hanno recettori del glutammato che sono più simili al tipo ionotropico., Arabidopsis thaliana (thale cress), un cavallo di battaglia della genetica e della genomica delle piante, ha venti membri di questa famiglia genica, un numero nello stesso campo da baseball, curiosamente, di quei sedici recettori ionotropici del glutammato nei mammiferi. Inoltre, tre principali categorie di recettori del glutammato sono state scoperte nelle piante, ricordando che ci sono tre principali categorie di recettori del glutammato animale ionotropico (quelli che usano AMPA, NMDA e kainite come agonisti). Ma i sottogruppi dei recettori ionotropici animali del glutammato corrispondono approssimativamente a quelli delle piante?, In altre parole, i recettori del glutammato animale che utilizzano AMPA come agonista sono più strettamente correlati a un particolare sottoinsieme di recettori del glutammato vegetale rispetto a qualsiasi altro recettore animale o vegetale?
In effetti, le tre categorie di recettori del glutammato vegetale non hanno alcuna somiglianza con queste categorie animali. Per prima cosa, gli animali apparentemente si sono evoluti tutti gli stessi geni in questa famiglia genica tramite duplicazioni in antenati comuni, mentre i recettori del glutammato vegetale sembrano tutti evoluti da un singolo antenato comune che esisteva prima che piante e animali divergessero., Ciò significa che i recettori del glutammato molto specifici degli animali non hanno una relazione uno-a-uno con i recettori del glutammato vegetale. Né i recettori nelle piante mostrano una relazione con organi distinti, come fanno negli animali.
Inoltre, a parte qualsiasi somiglianza nei geni, possiamo rivolgerci alla nostra seconda somiglianza apparente, quella della funzione delle proteine specificate dai geni. In realtà è vero che i recettori del glutammato vegetale possono interferire con i recettori del glutammato animale, suggerendo che i recettori vegetali hanno ancora una funzione equivalente nelle cellule nervose animali., C’è, per esempio, lo strano caso sull’isola di Guam di ingestione umana di materiale cycad (piante ricche di un amminoacido simile al glutammato) causando sintomi neurodegenerativi simili a quelli di Alzheimer, Parkinson e malattie di Lou Gehrig. E l’espressione dei recettori del glutammato vegetale è specifica per la radice, la stessa posizione che alcuni scienziati trovano più suggestiva dei sistemi nervosi vegetali., Mentre un piccolo sottoinsieme di questi recettori sembra essere importante nello sviluppo precoce delle radici, tuttavia, i diversi recettori nelle piante non mostrano generalmente una relazione con organi distinti, come fanno negli animali. Tuttavia, se i recettori del glutammato non servono le funzioni del sistema nervoso nelle piante, perché sono lì? L’argomento più comune per la loro ritenzione nelle piante è che servono come proteine di difesa per scongiurare l’invasione di specie di insetti.,
Terzo, dato tutto questo, ci sono strutture vegetali che si comportano come sinapsi, insieme a molecole che si comportano come neurotrasmettitori attivi nella regione” sinaptica”? Perché questo significhi qualcosa, alcune caratteristiche delle piante devono essere confermate. La comunicazione sinaptica deve essere mostrata, implementata dai neurotrasmettitori e dai recettori del trasmettitore neurale allo stesso modo della neurotrasmissione animale, ad esempio attraverso vescicole vicino alla sinapsi., Un candidato del neurotrasmettitore è l’auxina (acido indolo-3-acetico), una piccola molecola che alcuni botanici ritengono sia l’argomento migliore per il comportamento neurologico nelle piante. Ci sono anche trasportatori per l’auxina che si comportano molto come i recettori, in quanto aiutano il movimento dell’auxina attraverso la membrana cellulare. Ma il sistema auxina agisce come neurotrasmissione? Alcuni scienziati avrebbero effettivamente sostengono sì., Il botanico molecolare Gerd Jürgens presso il Max Planck Institute for Developmental Biology, ad esempio, ha dimostrato che il trasporto dell’auxina avviene attraverso il “traffico di vescicole”, un processo che coinvolge vescicole cellulari (piccole bolle racchiuse in lipidi) che hanno caratteristiche simili a neurotrasmettitori animali.
Tuttavia, l’auxina non si trova negli animali e sembra essere una proteina specifica della pianta che regola la crescita. Per alcuni, le osservazioni di Jürgens suggeriscono che le strutture delle vescicole potrebbero essere abbastanza simili da fare un buon argomento., Quando vengono esaminati i tipi di “sinapsi” prodotti nelle piante, due tipi di giunzione risultano avere domini proteici incorporati nella membrana cellulare. Il sistema di trasporto auxina, realizzato attraverso il traffico di vescicole, è influenzato dalla luce e dalla gravità per controllare la comunicazione cellula-tocella, e usa l’auxina come trasmettitore, comportandosi più o meno allo stesso modo di un neurotrasmettitore.
L’altra “sinapsi” si comporta come l’interconnessione tra una cellula immunitaria animale e una cellula patogena. Negli animali, questo sistema implementa la risposta immunitaria e la distruzione del patogeno invasore., Nelle piante, consente all’individuo non solo di affrontare gli agenti patogeni ma anche di stabilizzare le interazioni con i simbionti—una funzione importante. Le piante stabiliscono utili interazioni bidirezionali con molti microrganismi come batteri e funghi e in alcuni casi questi microbi svolgono compiti che la pianta non è in grado di svolgere da sola. Alcune piante non possono elaborare l’azoto ambientale, quindi formano una relazione simbiotica con i batteri del genere Rhizobium per fare il trucco, e l’attaccamento simile alla sinapsi è essenziale per la relazione., Nel processo, la rhizobia ottiene il vantaggio di essere alimentata dalla pianta.
Quindi, per affrontare il quarto e il quinto punto sollevato sopra riguardo all’esistenza di sistemi neurali vegetali, che dire degli impulsi elettrici o dei potenziali d’azione nelle piante e dei loro possibili percorsi come parte del sistema vascolare vegetale? Stranamente, la conduttività elettrica nelle piante è stata scoperta pochi anni prima che Luigi Galvani facesse i suoi macabri esperimenti di frogleg del 1780 che mostravano impulsi elettrici negli animali. Quindi non c’è dubbio che i segnali elettrici o forse anche i potenziali di azione esistono nelle piante., È anche abbastanza chiaro che, come ha detto Eric Davies della North Carolina State University, ” la ragione fondamentale per cui le piante hanno segnali elettrici è che consentono una trasmissione di informazioni molto rapida e sistemica, in modo che l’intero impianto sia informato quasi istantaneamente anche se solo una regione potrebbe essere stata perturbata.”Tuttavia, la natura del potenziale d’azione è molto diversa nelle piante e negli animali, sebbene entrambi coinvolgano i canali ionici delle loro cellule., Mentre gli animali producono il potenziale d’azione mediante uno scambio di ioni sodio e potassio, i potenziali vegetali sono prodotti con il trasporto del calcio che viene potenziato dal cloruro e ridotto dal potassio.
Quindi cosa concludiamo?
La nozione che le piante hanno il cervello in un certo senso è sia interessante e stimolante., In modo provocatorio, infatti, che nel 2007 trentasei gli investigatori trenta-tre istituzioni ha pubblicato una lettera aperta sulla rivista Trends in Plant Science mantenimento “che plant neurobiology non aggiunge alla nostra comprensione della fisiologia vegetale, biologia cellulare o di segnalazione”, e implorando i sostenitori dell’iniziativa di “rivalutare criticamente il concetto e sviluppare intellettualmente rigoroso fondazione per esso”—un bel modo di dire “basta tagliare fuori.”
Nel complesso, la risposta dei neurobiologi delle piante sulla questione dei “cervelli” delle piante è stata piuttosto conflittuale., Anthony Trewavas dell’Università di Edimburgo ha suggerito che “la neurobiologia vegetale è una metafora”—e nient’altro. La sua attenzione era rivolta al termine stesso e il suo interesse era principalmente nella sua importanza nel guidare la scienza a comprendere la biologia cellulare delle piante e i misteri della comunicazione e della segnalazione da cellula a cellula vegetale. Ma i biologi Franti.sek Balu.,ska dell’Università di Bonn e Stefano Mancuso dell’Università di Firenze hanno strenuamente sostenuto l’esistenza letterale dei sistemi nervosi nelle piante, suggerendo che “la rimozione del vecchio scisma aristotelico tra piante e animali unificherà tutti gli organismi multicellulari sotto un unico ombrello concettuale.'”
Ovviamente, entrambe le prospettive non possono essere giuste. Trewavas ci sembra chiamarlo così: semplicemente un caso di discussione delle somiglianze. È la metafora stessa che rende così interessanti le affermazioni sulla somiglianza tra sistemi vegetali e animali., Ma per renderlo utile, devi riconoscere che è una metafora. Unificare piante e animali sotto un unico” ombrello concettuale ” quando non ce n’è davvero uno, crea un vero problema. Per prima cosa, ci sono buone prove che piante e animali non condividono un antenato comune ad esclusione di tutti gli altri organismi del pianeta. I funghi e i molti organismi unicellulari che hanno nuclei si mettono in mezzo. Un ombrello unificante maschererebbe questa realtà e minerebbe l’utilità della metafora. Quando una metafora non è più riconosciuta come tale, l’errore diventa la regola del giorno.
