Endosimbiosi
Che cos'è l'endosimbiosi?
L'endosimbiosi è un processo biologico attraverso cui due organismi sviluppano una singolare forma di simbiosi, in cui uno dei due (quello di dimensioni minori) vive permanentemente all'interno dell'altro, instaurando con l'ospite un sodalizio di reciproca convenienza e venendo talvolta ereditato dalla progenie dell'ospite.
Le evidenze scientifiche a supporto dell'endosimbiosi tra microorganismi hanno permesso di chiarire le modalità attraverso cui hanno avuto origine gli organismi viventi più complessi.
Schema del processo di endosimbiosi. Una volta instaurata la simbiosi, il genoma del simbionte tende a ridurre il proprio patrimonio genetico nel corso delle generazioni, perdendo i geni non funzionali al nuovo stile di vita.
Eucarioti, un prodotto dell'endosimbiosi
Tutti gli organismi viventi sono classificati come appartenenti a uno dei tre domini principali: Bacteria, Archea ed Eukarya.
Bacteria ed Archea sono organismi piuttosto semplici, caratterizzati da una organizzazione cellulare elementare e privi di nucleo o organelli cellulari mentre gli eucarioti risultano notevolmente più complessi e presentano al loro interno strutture specializzate per lo svolgimento di specifiche funzioni: i plastidi.
Il passaggio da forme cellulari semplici a forme complesse e organizzate come le cellule eucariote è stato il primo grande salto dell'evoluzione della vita sulla terra e le modalità con cui ciò sia avvenuto sono rimaste a lungo un mistero.
Solo nel 1975 la biologa Lynn Margulis ipotizzò che all'origine della comparsa delle cellule eucariote ci dovesse essere un fenomeno di endosimbiosi, per il quale una cellula procariota di dimensioni più grandi avrebbe incorporato al suo interno delle cellule più semplici, appartenenti a organismi definiti protobatteri, dando origine alla linea evolutiva degli eucarioti.
Plastidi, protobatteri endosimbionti
Tutte le cellule eucariote possiedono al proprio interno degli organelli speciali, in grado di fornire loro l'energia per svolgere le proprie funzioni vitali. Tali organelli, definiti globalmente "plastidi", sono mitocondri e cloroplasti.
I mitocondri forniscono energia mediante la respirazione cellulare, processo attraverso cui molecole organiche vengono ossidate per produrre energia chimica; i cloroplasti invece sono gli organelli deputati alla creazione della materia organica a partire da semplici composti minerali sfruttando l'energia solare: la fotosintesi clorofilliana.
I Plastidi sono il frutto dell'endosimbiosi che ha cambiato le sorti della vita sulla terra: in origine, infatti, erano organismi procarioti semplici a vita libera. Le evidenze della natura "estranea" di questi organismi sono inconfutabili: i plastidi hanno un genoma proprio, cioè hanno al proprio interno del DNA del tutto differente da quello del nucleo della cellula ospite. Il DNA dei plastidi, inoltre, ha tutte le caratteristiche del DNA batterico, rendendo innegabile lo loro origine procariotica.
Qual è il vantaggio reciproco di questa simbiosi interna?
I Plastidi ottengono protezione e vengono costantemente riforniti dei composti chimici elementari di cui hanno bisogno, senza la necessità di ricercarli nell'ambiente, mentre la cellula eucariota riceve in cambio una fonte di energia ad altissima efficienza, che ha permesso a queste cellule di evolversi divenendo sempre più complesse.
Origine dei plastidi e teoria seriale dell'endosimbiosi.
Gli Archea sono i progenitori degli eucarioti
Se la scoperta dell'endosimbiosi ha permesso di comprendere il meccanismo alla base della nascita degli eucarioti, restava ancora da capire in quali cellule procariote primordiali fosse avvenuto il processo endosimbiotico. Recenti scoperte hanno messo in evidenza che tali cellule farebbero parte, con molta probabilità, del gruppo degli Archea.
Un elemento di dibattito, infatti, è sempre stato l'origine delle strutture intracellulari complesse che sono tipiche delle cellule eucariotiche, in particolare la formazione del citoscheletro e delle membrane interne.
L'idea diffusa ed accettata era che le cellule eucariote, una volta acquisiti i plastidi, avrebbero iniziato ad evolvere queste strutture complesse ed energeticamente dispendiose grazie all'apporto di energia fornito dai plastidi simbionti.
Esaminando il genoma di alcuni Archea che vivono in ambienti estremi, invece, è stato possibile evidenziare come in un gruppo di essi, facenti parte del Superphylum Asgard, siano presenti i geni per la produzione delle proteine del citoscheletro e che queste sono ancora molto simili a quelle dei moderni eucarioti, al punto tale da poter interagire con quelle umane in condizioni di laboratorio.
Questa scoperta indica che le strutture complesse come il citoscheletro e le membrane interne erano già presenti negli Archea al momento della nascita dei primi eucarioti e anzi, probabilmente, la loro esistenza ha favorito l'interazione tra gli Archea e i loro nuovi fondamentali ospiti.
Endosimbiosi primaria e secondaria
Il processo di endosimbiosi non è avvenuto un'unica volta nella storia della vita, ma si è ripetuto in più occasioni. Alla base della nascita di alcune linee evolutive, ad esempio, vi è una serie di endosimbiosi successive.
È il caso delle alghe: la fotosintesi clorofilliana è un processo messo a punto, evolutivamente, da un unico gruppo di organismi: i cianobatteri. Tra questi, vi sono i predecessori dei moderni cloroplasti, che furono acquisiti dalle cellule eucariote circa 1 miliardo di anni fa. Da questo evento di endosimbiosi primaria sono nate le alghe verdi e le alghe rosse.
Le alghe brune, invece, sono endosimbionti secondari, originatesi quando un eucariote eterotrofo ha assunto all'interno della propria cellula una alga rossa, quindi un organismo che a sua volta era stato generato da un processo di endosimbiosi primaria.
L'evidenza di questo avvenimento può essere desunta esaminando la membrana esterna dei cloroplasti: negli endosimbionti primari i cloroplasti sono avvolti da due membrane, una ancestrale appartenente al cianobatterio originale e una proveniente dall'ospite, che ha avvolto la prima membrana durante il processo di fagocitosi.
Nelle alghe brune, invece, i cloroplasti sono avvolti da tre membrane, a testimonianza di un secondo processo di endosimbiosi.
Endosimbiosi primaria e secondaria nelle alghe.
Endosimbionti obbligati e facoltativi
Oltre al processo che ha dato origine agli eucarioti e ai vari gradi di endosimbiosi nelle alghe, alcuni organismi ancora oggi sono in grado di acquisire per endosimbiosi delle cellule più semplici per ottenerne dei vantaggi dal punto di vista biochimico.
Molti di questi possono vivere anche senza ospitare il simbionte, ma quando riescono a ottenerne i servigi modificano il proprio stile di vita e anche la conformazione cellulare in modo da sfruttare a proprio vantaggio le caratteristiche dell'ospite.
È il caso, ad esempio, del protozoo Hatena, che passa da uno stile di vita predatorio a quello di organismo autotrofo quando riesce a fagocitare un alga con cui instaurare la simbiosi.
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