Microbi. Anche ciò che non vediamo ci riguarda

L’attività umana ha prodotto nei sistemi terrestri cambiamenti che, per proporzioni e importanza, non hanno pari dall’avvento della fotosintesi, e ciò ci ha dato alla testa. Qualcuno l’ha chiamata impronta ecologica. Ma che cosa ha a che fare con batteri e affini? E questi, che c'entrano con bit & byte?

È stato detto «Siamo proprio come dei, quindi tanto vale abituarci all’idea».

Nella seconda metà del Novecento, molti pensavano che i rapidi progressi tecnologici avessero ormai superato ogni limite che ostacolava il controllo umano sul pianeta. Questa visione ottimista, definita «Antropocene buono», si basava sull’idea che il nostro ingegno tecnologico ci avrebbe permesso di mantenere uno stile di vita ad alto consumo energetico gestendo responsabilmente il grande potere acquisito.

«State soffrendo per un bene più grande» si diceva...e allora ditelo alle popolazioni che sono già nella morsa della siccità o dell'innalzamento del livello medio dei mari!

Gli abitanti di Bikini si sentirono dire qualcosa di simile – che evacuare la loro casa sarebbe stato per il bene di tutta l’umanità – dall’esercito americano, e questo particolare esempio di giocare a fare dio ha lasciato un angolo del pianeta inabitabile per oltre 20.000 anni. Assurdo, perfino crudele, quanto appare.

Il fatto che abbiamo alterato i cicli geochimici del pianeta non significa che ne abbiamo il controllo; ma del resto l’Antropocene non riguarda affatto il controllo, piuttosto evidenzia la relazione intima con il futuro del pianeta, strana tanto quanto quella che ci lega alle nostre comunità microbiche.

I rapporti nel tempo recente tra biomasse animali addomesticate, umana e naturali

Questo è il grafico più spaventoso del mondo: la quantità di biomassa rappresentata dal totale di quella umana e degli animali da questa addomesticati supera di diversi ordini di grandezza quella della fauna selvatica. Ma ciò che poche persone capiscono è che descrive anche una catastrofe microbica.

Ogni specie possiede un ecosistema influenzato dall'ambiente e dagli altri animali con cui interagisce. Il leone nella savana entra in contatto con nuovi microbi quando si nutre di carcasse o beve dove altri animali hanno lasciato escrementi. In cattività, mangia solo carne sterilizzata ed è a contatto esclusivamente con persone. Non ci sono separazioni nette, non c’è antitesi tra uomo e natura. Un declino in un livello porta al declino in un altro; quando la biodiversità cala nel macromondo, cala anche in quello microbico. Come le matriosche, ogni estinzione di mammiferi o insetti contiene altre innumerevoli estinzioni o quasi estinzioni, che si verificano a mano a mano che il microbiota animale perde il proprio habitat.

Ciò che rimane è la microbiomassa associata agli esseri umani e a ciò che mangiano.

La biomassa della Terra e un dettaglio della distribuzione di quella animale

Mutare e trasferire
Quanto i microbi siano indispensabili è presto detto. Un grammo di fango negli estuari urbani di città come Shangai o New York, contiene circa un milione di geni resistenti agli antibiotici provenienti dai batteri. Si sono scoperti batteri mangiasale vivi, sopravvissuti dopo essere rimasti intrappolati nei cristalli per 250 milioni di anni. Il principio del cambiamento è il tratto più essenziale del mondo microbico. Le forme di vita unicellulari esistono forse da 4 miliardi di anni, e ogni innumerevole generazione ha prodotto una leggera differenza rispetto alla precedente, un piccolo errore nella copia. È stato ipotizzato che ci siano tante specie diverse quanti sono stati i batteri individuali: idea che è già di per sé notevole prima ancora di considerare che in ogni dato momento sulla Terra sono esistiti qualcosa come 5.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (5x10³⁰) batteri – espressi in tonnellate di carbonio si stima equivalgano a circa 70x10⁹ tonnellate (Gt). Si pensa che un’altra quantità pari a 1.000.000.000.000.000.000 (10¹²) viva sulle particelle di polvere nell’atmosfera, e si crede che tra il 50 e il 90 per cento della biomassa oceanica consista di cellule microbiche. Sono numeri pari ad almeno 100 volte il quantitativo di stelle di tutte le galassie dell’universo.

Nel 2016, scienziati giapponesi hanno scoperto un batterio capace di degradare la plastica PET in uno stabilimento di riciclaggio, segnalando come i microbi oceanici si stiano evolvendo per consumare rifiuti plastici. L’origine di questa incredibile diversità risiede nella loro capacità di condividere il proprio DNA: il processo del Trasferimento Genico Orizzontale. Una cellula batterica può scambiare le proprie informazioni genetiche con qualsiasi altra cellula. I microbi che si sfiorano l’un l’altro possono scambiarsi i geni: in alcune specie lo scambio è mutuo e coordinato, altre specie assorbono ciò che trovano, pezzi di DNA, frammenti di virus, altre ancora rubano il patrimonio genetico altrui fagocitando altri microbi (così sono nati organelli specializzati presenti nelle cellule eucariotiche). Oppure scelgono di coabitare e, come coppie sposate da tempo, alla fine si fondono per diventare quasi indistinguibili l’uno dall’altro. Non tutti gli scambi danno luogo a adattamenti significativi: le modifiche inutili spesso vengono spazzate via dalle generazioni successive. Questo processo permette ai microbi di sviluppare processi vitali importanti quali fotosintesi, catabolismo e simbiosi.

Tuttavia, le nostre azioni stanno censurando sempre di più questa libera espressione, frenando l’orgia e costringendo l’evoluzione microbica a seguire la nostra guida. Da quando abbiamo cominciato a usare il fuoco – oltre 500.000 anni fa - per cucinare il nostro cibo, gli uomini influiscono sulla selezione dei geni nelle proprie popolazioni microbiche tramite scelte dietetiche. Questa selezione «morbida», però, è diventata un processo di selezione «dura» tramite l’uso di composti antimicrobici; dapprima con esitazione, da quando abbiamo cominciato a sfruttare gli effetti profilattici del mercurio e dell’arsenico alla fine dell’Ottocento, ma poi con aggressività, da quando si è diffuso l’impiego di antibiotici dopo la seconda guerra mondiale. A titolo di esempio nelle popolazioni mondiali sviluppate, l’abuso di antibiotici è accusato di essere la causa del rapido declino di Helicobacter pylori, un microbo che vive nello stomaco e che si coevolve con gli esseri umani da almeno 100.000 anni per assistere nel regolare la produzione di acido nello stomaco (qui la storia della scoperta della vera natura dell’ulcera). E gli effetti di questa liberalità con gli antibiotici non si notano solo nelle viscere umane.

Antibiotici

Gli antibiotici hanno sicuramente contribuito alla formazione di fossili futuri semplicemente con il loro effetto sui tassi di mortalità, ma hanno anche influenzato in maniera sostanziale la prosperità di batteri che si sviluppano molto lontano dai corpi di esseri umani o animali trattati. Sono comunemente usati per promuovere la crescita del bestiame e, dato che fra il 30 e il 90 per cento degli antibiotici ingeriti sia dagli animali sia dagli esseri umani vengono espulsi immutati nel suolo e nei corsi d’acqua, il mondo microbico in generale viene inondato da composti antimicrobici. Potrebbe risentirne perfino il fondamentale ritmo dell’evoluzione batterica e rischiamo di rendere inefficace una delle maggiori e più benefiche scoperte mai fatte. 

La resistenza agli antibiotici prodotti in laboratorio ebbe inizio negli anni Venti del Novecento, da una singola componente di DNA. Da allora si è diffusa attraverso il trasferimento genico orizzontale a velocità sorprendentemente elevate. Oggi, in ogni grammo di escrementi umani o animali si trovano milioni di copie di quell’elemento originario; ogni giorno circa 100.000.000.000.000.000.000.000 (10²³) copie vengono rilasciate nell’ambiente, riversandosi nei fiumi e negli oceani tramite gli impianti per il trattamento delle acque reflue - veri e propri hotspot di propagazione - oppure tornano al terreno. Questi elementi genici sono stati trovati sia nella foresta pluviale amazzonica che nelle regioni polari. L'emissione di composti nell'atmosfera sta accelerando l'evoluzione microbica e aumentando la diffusione dei geni di resistenza nel pangenoma globale. Molti eventi selettivi che causano resistenza sono temporanei, ma alcuni cambiamenti nelle comunità microbiche saranno permanenti.

Ci sono molti divulgatori sui social che diffondo splendide immagini e video del mondo microscopico, segnalo questa.

Batteri ovunque
Ogni grammo di terreno contiene miliardi di cellule microbiche. Il DNA extracellulare può sopravvivere nel suolo o nell’argilla per migliaia di anni, e date le giuste condizioni, potrà restare nell’humus fino a quando incontrerà un batterio ricettivo, mettendo in moto una nuova linea di evoluzione batterica.

Il dogma centrale della biologia

La regola essenziale della vita biologica è fissata da quasi 4 miliardi di anni: l’informazione biologica scorre dal DNA all’RNA, alla proteina, al fenotipo in una cascata chiusa che gli scienziati chiamano «dogma centrale» (ne ho scritto qui). È immutabile ed esiste fin dal Last Universal Common Ancestor, l’ultimo antenato universale comune di tutta la vita (LUCA). Ma per la prima volta in 3,7 miliardi di anni, le nuove tecniche di conservazione con silicio che memorizzano dati digitali nel DNA hanno superato il tradizionale dogma centrale.

Abbiamo un organismo capace di dirigere la propria evoluzione e l’evoluzione di ogni essere vivente sul pianeta: Homo sapiens. E per quanto se ne dica, spesso con giudizi puramente ideologici, la modifica genetica degli organismi operata dagli umani è antica quanto essi stessi.

Nel 2007 fu sintetizzato chimicamente il primo genoma: il DNA di un batterio fu impiantato nelle cellule di un altro batterio. Il risultato fu che il secondo somigliava e si comportava esattamente come il primo. Alcuni anni dopo, furono sintetizzate alcune cellule viventi di questo batterio basandosi sulle informazioni archiviate elettronicamente. Ciò che fu fatto rappresenta una transizione evolutiva vera e propria.

Fino ad allora, ogni essere vivente aveva bisogno di un antenato (Omne vivum ex vivo, come ebbe a dire Pasteur): adesso non più. In teoria, estendere il dogma centrale potrebbe permettere la ricostruzione di patogeni o specie estinte, perfino la sintesi di organismi nuovi, uno qualunque dei quali, se prosperasse, rappresenterebbe un segno nella sabbia del tempo evolutivo.

Ma per ora, siamo ancora meno che all’inizio. Per fortuna. Personalmente resuscitare specie estinte non mi interessa, mi accontento delle loro rarissime tracce fossili.

Tornando a quella visione divina che molti esseri umani hanno del loro potere, realizzare la de-estinzione sarebbe il più grande trucco divino di tutti, ma non si raggiungerà confezionando in laboratorio specie scomparse. Gli animali non sono semplicemente la somma delle loro parti: ogni caratteristica fisica è il risultato di una serie di adattamenti evolutivi trasmessi attraverso migliaia di generazioni. Fabbricare un nuovo genoma non sarebbe sufficiente. Esistono già elefanti asiatici con pezzi di DNA di mammut ma come gli elefanti, i mammut avranno avuto una struttura sociale complessa. Un nuovo branco esisterebbe in un vuoto sociale, un mondo che ha completamente dimenticato cosa significa essere un mammut. Gli animali devono imparare a essere animali: non si può sintetizzare il comportamento. E ancora, come ebbe a dire il biologo evoluzionista Stephen J. Gould, se potessimo riavvolgere il nastro dell’evoluzione e ripartire da zero, i percorsi e i finali sarebbero del tutto diversi ogni volta.

Anche noi avremmo bisogno di cambiare. Riportare in vita specie perse per l’espansione del dominio umano sarebbe miracoloso, forse perfino un’espiazione per i peccati passati, ma ci richiederebbe anche di imparare a vivere accanto a ciò che un tempo abbiamo espulso dell’esistenza.

I microbi esistono da miliardi di anni grazie alla loro inventiva. Sono i grandi improvvisatori del mondo, e la loro capacità di evolvere oltre i propri limiti apparenti sembra un buon modello da cui imparare a vivere nel mondo che abbiamo creato per noi stessi. I microbi dimostrano che ciò che potremmo essere non è limitato da ciò che siamo, e che accettare collaborazione e adattamento, scrollandoci di dosso le vecchie forme per accettarne di nuove, può portare a un aumento di vita.

Archiviazione

Ma ancora una volta emerge l’antropocentrismo più egoista, una moderna e antica allo stesso tempo, versione del principio antropico che vede il mondo, l’universo intero fatto per il genere umano.

Studi e ricerche da diverso tempo stanno cercando di realizzare un sistema di archiviazione in grado di replicarsi, utilizzando come supporto il DNA dei batteri. Perché?

Dopo la nascita dei servizi di data streaming, dell’intelligenza artificiale, del cloud storage, delle piattaforme di social media e dell’ubiquità degli smartphone e degli smartwatch, ormai ci vogliono solo un paio di giorni per produrre cinque miliardi di gigabyte di contenuto digitale, equivalenti a tutte le informazioni digitali esistenti prima del 2003. Entro il 2025 il totale creato annualmente sarà di oltre 160 zettabyte (ZB = 10²¹ byte). Se la maggioranza dei dati non venisse cancellata, sovrapponendone di nuovi o eliminandoli, le riserve globali di silicio non sarebbero sufficienti per conservare in modo permanente tutti i dati che produciamo.

Ma il consenso scientifico e le stime attuali indicano che la densità di archiviazione teorica del DNA si avvicina a circa 455 exabyte per grammo, ovvero 455 milioni di gigabyte (10¹⁸ byte).

Agli inizi degli anni Duemila si cominciò a pensare al problema dell’archiviazione dei dati. Il problema non è solo l’enorme quantità di informazioni, ma anche il fatto che i mezzi di archiviazione non sono sicuri. Per migliaia di anni abbiamo sconfitto l’entropia lasciando tracce deliberate di ciò che sappiamo. Scrivere ci ha permesso di battere il tempo e di parlare al futuro, ma finora i materiali disponibili sono stati fragili: la pietra si erode, la carta si disintegra e persino la memoria elettronica si degrada. La vita, d’altro canto, è definita nella sua essenza dalla trasmissione sicura di informazioni nel tempo. E allora perché non convertire le quattro basi azotate del DNA in informazione binaria (con Adenina per “00”, Guanina per “01”, Citosina per “10” e Timina per “11”) e racchiuderla al sicuro nel genoma della materia vivente dove, in teoria, la si potrebbe recuperare in eterno? Peccato che, ad oggi, recuperare le informazioni significa anche contemporaneamente distruggerle: si poteva sequenziare il DNA solo una volta per recuperare le informazioni, dopodiché andava tutto distrutto. Si è in grado di leggere i dati, per quanto con qualche sporadico errore, ma così facendo di fatto si cancellano.

È quasi paradossale: c’è un’acuta ironia nel fatto che gli scienziati stiano prendendo in considerazione l’archiviazione nel DNA mentre la biodiversità globale sta crollando. È stato proprio il considerare le altre forme di vita come semplici risorse che ha portato a gran parte del disastro in cui ci troviamo; la nostra cura, con un deciso cambio di direzione e passo, dovrebbe essere diretta a incoraggiare un futuro praticabile per tutti gli esseri viventi, e invece abbiamo cominciato a rivolgerci alla vita per mettere al sicuro le nostre storie. E l’idea di affidare le cose a cui teniamo di più alle cure di microbi è altrettanto inquietante.

Conan the bacterium

Sicuramente ne avrete sentito parlare e visto i Tardigradi, simpatici animaletti pluricellulari che sembra abbiano proprietà magiche, potendo sopravvivere in condizioni inimmaginabili. Ma qui c’è qualcosa che va oltre.

Deinococcus radiodurans fu scoperto nel 1956, in una lattina di carne in scatola, in uno delle migliaia di casi di serendipità nella ricerca scientifica. Alcuni scienziati in Oregon stavano facendo esperimenti sul potenziale di conservazione dei raggi gamma quando individuarono un batterio che non riuscivano a sterilizzare. Il suo nome significa «terrificante cocco resistente alle radiazioni»; anche se  è vero che δεινός, dal greco, significa tremendo o terrificante, significa anche strano, singolare, straordinario. Terrificante o strano che sia può sopravvivere all’essiccazione estrema e a una dose di raggi gamma mille volte superiore a quella letale per gli esseri umani. Con un’esposizione tremila volte superiore a quella che ucciderebbe noi, il batterio risulta indebolito ma ancora vitale. Nel 2002 la NASA ne espose per sei minuti un campione a radiazioni solari ultraviolette a 300 chilometri di altezza, ma D. radiodurans tornò sulla Terra illeso. È sopravvissuto per più di un anno all’esterno della Stazione Spaziale Internazionale in orbita attorno alla Terra: in un ambiente che sembrava incompatibile con la vita per via dell’esposizione a dosi elevate di raggi UV, del vuoto, di fluttuazioni enormi della temperatura e di infinite altre minacce. C’è chi sostiene che si sia originato su Marte, e che sia arrivato sulla Terra a causa dell’impatto con un meteorite.

Lo hanno soprannominato “Conan the bacterium”, in assonanza col famoso personaggio cinematografico interpretato da Arnold Schwarzenegger.

La sua straordinaria resilienza è dovuta semplicemente alla sua forma. Il batterio consiste di quattro cellule organizzate in un comodo anello e assomiglia un po’ a dei panini. I danni da radiazioni spezzano il DNA, ma la forma ben stretta di D. radiodurans fa sì che il questo sia tenuto assieme anche una volta spezzato, permettendo al microbo di ripararsi in fretta. Per quanto si sa, non lo si può uccidere:  durerà sul pianeta fino a quando il Sole stesso diverrà una stella gigante rossa e qualsiasi forma di vita sulla Terra sarà stata cancellata. C’è tempo…

Tornando in tema. C’è qualcuno che sta cercando di usarlo come supporto biologico eterno per l’archiviazione dei dati di cui s’è scritto.

Post scriptum
Possiamo definire la scienza come l'arte di trovare modelli ricorrenti in natura.
La loro individuazione presuppone attente osservazioni, ovviamente condizionate dai nostri sensi. Da animali visivi basiamo la nostra percezione del mondo su quel che vediamo. E ciò che vediamo è a sua volta legato agli strumenti che abbiamo a disposizione: quindi la storia della scienza è anche la storia delle invenzioni che modificano la nostra percezione delle cose. Tuttavia, paradossalmente, l'invenzione di nuovi strumenti è vincolata a ciò che vediamo. Se non vediamo qualcosa tendiamo a ignorarla.

(Paul G. Falkowski)

Ecco perché per centinaia di anni anche la scienza ha ignorato i microbi.

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Riferimento bibliografico
Tracce. Alla ricerca dei fossili di domani. David Farrier, 2023