George N. Somero, Il Sole 24 Ore 23/10/2011, 23 ottobre 2011
SCIOCCATI DAL CALDO
Milioni di anni di evoluzione in acque stabilmente fredde hanno portato a due vistosi cambiamenti nella fisiologia degli animali a sangue freddo (gli ectotermi) dell’Oceano meridionale. Dal lato positivo, l’adattamento li ha resi molto efficienti a temperature alle quali i sistemi fisiologici degli ectotermi temperati e tropicali smetterebbero di funzionare. Dal lato negativo, quel lungo periodo di evoluzione in un ambiente stabile ha eliminato dalla loro "cassetta degli attrezzi genetici" parecchi geni necessari per cavarsela a temperature elevate e variabili. I confronti tra gli ectotermi dell’Oceano meridionale e quelli di habitat temperati e tropicali cominciano a rivelare come la rispettiva evoluzione ne determini la sensibilità al riscaldamento globale. Questi studi comparati mostrano che le specie antartiche con lunga storia evolutiva in acque stabilmente fredde e certe specie tropicali con una storia analoga in acque calde vivono oggi quasi al limite della propria tolleranza termica, al punto che un ulteriore riscaldamento causerebbe molte estinzioni. D’altro canto, le specie delle zone temperate che si sono evolute in un ampio spettro di temperature spesso sembrano meglio preparate ad affrontare un mondo più caldo.
Gli adattamenti che facilitano la vita nel freddissimo Oceano meridionale - attorno al punto di congelamento dell’acqua di mare, a meno 1,9° C - comprendono modifiche di proteine alla base di tutte le reazioni metaboliche. A bassa temperatura diventano rigide, inflessibili, il che ne ostacola la funzione. Le attività degli enzimi e delle proteine regolatorie all’interno della cellula richiedono che cambino forma e perché sia possibile, le proteine devono avere una flessibilità intrinseca: l’adattamento al freddo esige modifiche che ne compensino la mancanza. Nei pesci antartici si è visto che nella sequenza degli amminoacidi legati agli enzimi che governano tale flessibilità alcuni cambiamenti hanno portato allo sviluppo di proteine altrettanto funzionanti a temperature gelide delle corrispondenti proteine nelle specie tropicali e temperate. Così si spiega il successo degli ectotermi dell’Oceano meridionale. Ma il rovescio potenziale della medaglia sta nella sensibilità di queste proteine all’aumento di temperatura. È vero che il riscaldamento tende a rendere le proteine più flessibili, però il caldo eccessivo può snaturarle, lasciarle incapaci di conservare la propria piegatura e di funzionare. Per gli ectotermi dell’Antartide, i cambiamenti climatici potrebbero comportare gravi pericoli.
In quasi tutte le specie un aumento della temperatura corporea che danneggia le proteine attiva anche geni che codificano proteine da shock termico (la cui sintesi è detta "risposta allo shock termico"), restaurando il metabolismo nel macchinario cellulare. Molti ectotermi dell’Antartide, compresi i Nototenioidea che fra i pesci sono i gruppi dominanti, sono privi di una risposta allo shock termico, una mancanza spesso osservata in organismi con milioni e milioni di anni di evoluzione nel freddo stabile e un fenomeno ben noto in genetica evoluzionistica. Quando una caratteristica codificata da un insieme di geni smette di essere utile, i geni possono mutare, "guastarsi", senza svantaggi per l’organismo. Un esempio tipico è la perdita degli occhi negli ambliossidi ciechi, dei pesci evoluti in cave buie per numerosissime generazioni. Anche se i geni che codificano per le strutture della visione sono "guasti", l’ambliosside non ne risente.
Un processo analogo è avvenuto negli ectotermi antartici per i geni delle proteine da shock termico, inattivati per milioni di anni. La loro perdita - più precisamente, la perdita di meccanismi regolatori di controllo che consentono ai geni di venir accesi dallo stress termico - non faceva correre alcun pericolo a queste specie, almeno fino all’attuale aumento delle temperature. I pesci degli ambienti temperati sono molto più capaci di usare diversamente i propri attrezzi genetici, di estrarre dalla cassetta quello giusto al momento giusto. Nei pesci dell’Oceano meridionale invece, la perdita degli attrezzi si vede perfino a occhio nudo. Il sangue dei pesci-ghiaccio (del gruppo dei Nototenioidea) non ha globuli rossi né l’emoglobina per il trasporto dell’ossigeno. Da anemici, per così dire, prosperano nelle acque fredde e ricche di ossigeno. Di pari passo con l’aumento delle temperature marine però, diminuisce la quantità di ossigeno disciolto in acqua e nei pesci aumenta il tasso metabolico, quindi la domanda di ossigeno. Un doppio stress difficilmente sopportabile per i pesci-ghiaccio che, a temperature più elevate, hanno maggiori probabilità di morire di caldo dei pesci a sangue rosso.
I cambiamenti climatici avranno quindi effetti diversi sulle specie all’interno di uno stesso ecosistema e più in generale sugli ecosistemi antartici, temperati e tropicali. Servono ricerche in fisiologia per capirne l’eventuale sorte, e in particolare gli effetti di una lunga storia evolutiva in un contesto stabile sugli attrezzi genetici a disposizione delle singole specie. Le informazioni che si ottengono con questo tipo di analisi aiutano a chiarire quali capacità intrinseche hanno gli organismi per modificare i propri sistemi fisiologici in un mondo che si riscalda.
(Traduzione di Sylvie Coyaud)