Stefano Mancuso e la neurobiologia delle piante

Questo articolo lo dedico a coloro che credono che le piante, a differenza degli animali e delle persone, non soffrano, non provino sentimenti e non siano intelligenti. Contrariamente a ciò esse presentano sofisticate modalità di interazione e comunicazione con l’ambiente circostante e con le altre specie vegetali e animali.
Studi sull’intelligenza delle piante vengono portati avanti con successo dal prof. Stefano Mancuso  e dai ricercatori di neurobiologia vegetale.

Chi è Stefano Mancuso e cos’è la neurobiologia vegetale?
Stefano Mancuso è un docente dell’Università di Firenze e direttore del LINV (Laboratorio Internazionale di Neurobiologia Vegetale) e della rivista «Plant Signaling & Behavior». È uno dei fondatori della neurobiologia vegetale, disciplina che studia i segnali e la comunicazione nelle piante a tutti livelli di organizzazione biologica dalla singola molecola alle comunità ecologiche. È autore di numerosi libri su comunicazione e comportamento dei vegetali.

Intervista al professor Mancuso.
Fonte: http://magazine.linxedizioni.it/2011/04/26/stefano-mancuso-racconta/

Professor Mancuso: ma allora anche le piante hanno un sistema nervoso?

Facciamo subito chiarezza: nelle piante non c’è un analogo “fisico” del tessuto nervoso, quel tessuto costituito da neuroni e altre cellule nervose e specializzato nella trasmissione di segnali elettrici. Eppure possiamo parlare di neurobiologia vegetale perché c’è un’analogia funzionale. In altre parole le piante non hanno neuroni, ma alcune cellule vegetali – in particolare le cellule dell’apice radicale, cioè la punta della radice – sono in grado di produrre segnali elettrici sotto forma di potenziali d’azione (variazioni della differenza di potenziale tra interno ed esterno della membrana plasmatica, NdR) e di trasmetterli alle cellule vicine. Ricordiamo che già Charles Darwin riteneva che gli apici radicali rappresentassero una sorta di “cervello diffuso” delle piante, in grado di percepire segnali dall’ambiente e di “prendere decisioni” sulle strategie da seguire. Oggi sappiamo che le radici possiedono anche meccanismi per l’elaborazione e la trasmissione di questi segnali.

Negli animali uno degli elementi chiave della trasmissione nervosa è rappresentato dai neurotrasmettitori, le molecole che trasportano l’informazione da un neurone all’altro a livello delle sinapsi. C’è qualcosa di simile anche tra i vegetali?

Sì: molti neurotrasmettitori presenti nel nostro cervello (glutammato, serotonina, dopamina, acetilcolina ecc.) sono presenti anche nelle piante. In questo caso non li chiamiamo neurotrasmettitori, perché non stanno in un cervello e perché non sempre la loro funzione è nota, però ci sono. E per alcuni è stato mostrato un ruolo fondamentale in meccanismi di trasmissione delle informazioni. Per esempio: una radice ha la costante necessità di sapere con estrema precisione che cosa accade nell’ambiente circostante. Questa “conoscenza” le deriva dall’attività degli apici radicali, ciascuno dei quali è in grado di “sentire”, cioè percepire e valutare, almeno 15 parametri chimici e fisici differenti (temperatura, grado di salinità, grado di umidità e così via), che devono essere integrati ed elaborati per individuare la direzione di crescita ottimale. È stato scoperto che il glutammato è fondamentale per questa elaborazione: se manca oppure è presente in eccesso, la radice si comporta come se avesse perso il senso dell’orientamento e cresce in modo anomalo.

In che modo lei e il suo gruppo di ricerca siete arrivati a capire che gli apici radicali possiedono la capacità di integrazione, elaborazione e trasmissione di informazioni?

Il punto di svolta è stato la scoperta che una particolare zona degli apici radicali – la zona di transizione – consuma molto più ossigeno delle zone vicine, una condizione che è indizio di forte richiesta energetica e, dunque, della presenza di qualche intensa attività. Eppure, all’inizio la zona di transizione non sembrava partecipare ad attività a forte dispendio energetico, come può essere la moltiplicazione cellulare. E allora: perché la zona di transizione consuma tanto ossigeno se – in apparenza – non fa nulla di speciale? La nostra ipotesi era che possedesse un’attività analoga a quella dei neuroni e in effetti con il tempo abbiamo mostrato che le cellule di questa zona sono in grado di generare e trasmettere potenziali d’azione.

Con quali approcci e strumenti affrontate in laboratorio questi argomenti? E con quali organismi modello lavorate?

Usiamo metodi e strumenti di differenti discipline. Dalla biologia cellulare abbiamo “preso” i microscopi, sia ottici (compreso il microscopio confocale a fluorescenza, che permette di visualizzare nel campione differenti molecole opportunamente marcate), sia elettronici. Dall’elettrofisiologia abbiamo mutuato l’uso di microelettrodi (dotati di punte con dimensioni inferiori al millesimo di millimetro), gli strumenti che servono a misurare i potenziali d’azione nei neuroni. Noi li utilizziamo per studiare la produzione di segnali elettrici in singole cellule vegetali, oppure i flussi ionici, cioè i movimenti degli ioni verso l’interno e l’esterno delle cellule. Infine, dalla biologia molecolare abbiamo imparato ad analizzare e manipolare DNA e RNA. Lavoriamo molto con Arabidopsis thaliana, una piccola pianta versatile e di cui si conoscono molti dettagli. Però lavoriamo anche con altri modelli: tabacco, mais e pomodoro come piante erbacee e olivo e vite come piante arboree.

Gli apici radicali possono dunque essere considerati, in metafora, il “cervello” della pianta. Ma perché proprio gli apici? E quali sono, allora, le “attività cognitive” vegetali?

Una delle ragioni più ovvie per spiegare perché le piante hanno sviluppato un’attività simil neurale a livello degli apici sta nel fatto che questi risiedono sottoterra: il suolo, infatti, è un ambiente più stabile rispetto all’atmosfera per temperatura e umidità, e per di più protetto dalla predazione animale e dalla radiazione ultravioletta solare. Quanto alle attività “cognitive”, alcune le abbiamo già accennate: per esempio, la capacità di raccogliere informazioni ambientali, integrarle e reagire di conseguenza. Le piante, poi, mostrano grandi capacità di comunicazione intra e interspecifica, ma anche di apprendimento (e dunque di memoria) e di calcolo di costi-benefici.

Mi sta dicendo che le piante ricordano?

Non nel senso comune che diamo alla parola ricordare, naturalmente: le piante non ricordano volti o emozioni, ma possono ricordare particolari condizioni ambientali che hanno incontrato in passato e la risposta fisiologica adeguata per quelle condizioni. Per capire meglio che cosa intendo dire partiamo dagli animali. Per “misurare” la capacità di apprendimento di un animale, in genere gli si sottopone un problema più volte e si valuta se la sua capacità di risolverlo migliora nel tempo. Se questo accade, diciamo che l’animale ha imparato a riconoscere il problema – quindi lo ricorda – e a reagire di conseguenza. Ecco: lo stesso si può fare con le piante.

Quali problemi si possono sottoporre a una pianta?

Si tratta di problemi intesi come condizioni ambientali, per esempio una condizione di difficoltà, di stress, come la presenza di un’eccessiva salinità nel suolo. La prima volta che una pianta incontra questa condizione mette in atto una serie di risposte metaboliche necessarie a permetterle di sopravvivere; se la condizione torna alla normalità (la salinità si abbassa), anche il metabolismo della pianta lo fa. Ma supponiamo ora che torni a verificarsi una situazione di alta salinità: se la pianta reagirà più in fretta, mettendo in atto più velocemente le risposte metaboliche necessarie a sopravvivere, significa che avrà ricordato il caso e avrà imparato come reagire al meglio. Ebbene: è stato verificato che questo è esattamente quello che accade.

Diceva che le piante possono effettuare calcoli di rapporti costi-benefici. Può fare un esempio?

Supponiamo di osservare una pianta che cresce accanto a un’altra. Le due competono per un bene essenziale per la vita vegetale: la luce solare, fonte primaria di energia. Supponiamo che la “nostra” pianta sia più bassa dell’altra e che quindi riceva meno luce. Questa è una tipica situazione in cui la pianta deve prendere una decisione: restare com’è, accontentandosi della poca luce che le arriva, oppure investire risorse nella crescita, nel tentativo di superare l’altezza della sua competitrice? Per il mio modo di vedere, scegliere questa seconda strada significa tentare una previsione del futuro: “immaginare” che i sacrifici richiesti per allungarsi saranno ricompensati dalla maggior disponibilità di luce.

Ma come si fa a sapere che l’allungamento della pianta è frutto di un calcolo e non di un meccanismo automatico, geneticamente determinato?

Certo, il dubbio può venire. Però proviamo a pensare a che cosa accade se, invece che un solo fattore – la luce solare – ne prendiamo in considerazione contemporaneamente altri, proprio come deve fare la pianta: salinità, umidità, concentrazione di azoto, presenza di parassiti e così via. Di fronte a un quadro così complesso, la “decisione” sulla direzione in cui crescere (puntare di più sullo sviluppo fogliare? Sull’allungamento del fusto? Sullo sviluppo delle radici? Sulle difese contro i patogeni?) non può essere una risposta automatica, ma deve dipendere dall’integrazione ed elaborazione delle informazioni, fino a stabilire quale necessità, di volta in volta, è più stringente.

Ci può dire qualcosa anche sulla comunicazione tra piante?

Comunicazione è sicuramente una delle parole chiave della neurobiologia vegetale. Abbiamo visto che le cellule di un’unica pianta comunicano tra di loro, in modi analoghi a quelli che finora si ritenevano esclusivi degli animali. Le piante, però, sono abilissime anche nel comunicare con altri organismi della stessa specie o di altre. Le radici, per esempio, secernono nel suolo una gran quantità di sostanze che costituiscono veri e propri messaggi di segnalazione, e lo stesso fanno le foglie e i fiori, con molecole volatili. In alcuni casi si tratta di “armi chimiche”, dirette contro le piante circostanti con l’obiettivo di ostacolarne crescita e sviluppo, o contro predatori, per allontanarli. Altri segnali, invece, sono “amichevoli”, e servono per attirare impollinatori o per avvertire altre piante della propria comunità della presenza di pericoli: numerosi studi hanno mostrato che le piante attaccate da insetti erbivori o da patogeni emettono sostanze volatili in grado di segnalare il pericolo alle piante vicine, dando loro il tempo di prepararsi per affrontarlo, con modifiche della propria fisiologia che le rendano più resistenti.

Ma non converrebbe a una pianta sottoposta all’attacco da parte di un patogeno concentrarsi sulla sua risposta, senza perdere tempo e risorse per avvisare gli altri? Non le converrebbe essere egoista piuttosto che altruista?

Consideriamo il problema in ambito evolutivo e immaginiamo di avere una pianta infestata “egoista”, cioè concentrata solo a difendere sé stessa. Poiché non ha avvertito le piante vicine, è molto probabile che anche queste finiranno con l’essere attaccate dal patogeno che, di conseguenza, rimarrà “in zona” e potrà tornare a infestare più volte la pianta egoista. Non solo: in seguito all’infestazione, le vicine possono morire, e allora la nostra pianta egoista, anche se rimasta in vita, non avrà nessuno nei dintorni con cui riprodursi. Insomma, proprio come nel mondo animale, anche in quello vegetale ci sono situazioni in cui conviene, evolutivamente parlando, essere altruisti.

Le piante non comunicano solo all’interno del loro mondo, ma anche con gli animali…

È proprio così, basti pensare ai segnali visivi (i colori) e olfattivi che emettono i fiori per attirare gli insetti e indurli in questo modo a effettuare il servizio di impollinazione. E ancora: molte piante attaccate da predatori o da patogeni producono sostanze repulsive nei confronti del nemico, oppure in grado di attirare predatori del nemico stesso (secondo la nota logica “il nemico del mio nemico è mio amico”). Tra le più comuni, lo fanno per esempio il tabacco, il pomodoro, le melanzane. Questa proprietà e quella di avvertimento alle piante vicine possono essere sfruttate in ambito agrario: se inondiamo una coltura con un “messaggio di avvertimento”, la prepariamo all’attacco, rispetto al quale sarà più resistente.

Senta professore, dopo tutte queste informazioni una domanda viene spontanea: le piante sentono dolore?

Esiste una specie di convenzione scientifica secondo la quale questa è una domanda che non ci si deve proprio porre. Io però ritengo davvero improbabile che organismi così complessi siano privi di un sistema in grado di distinguere il “bene” dal “male” (inteso come qualcosa di pericoloso per la sopravvivenza), che è proprio la funzione fondamentale del dolore. Seguendo questo ragionamento, mi sembra dunque probabile che le piante possano soffrire anche se, allo stato attuale delle conoscenze, non possiamo dire “come”, né sappiamo in che modo affrontare il problema: è possibile che abbiano meccanismi di percezione di ciò che è bene o male per la loro vita molto differenti dai nostri.

Anche gli alberi hanno un cervello.

Fonte: http://archivio.panorama.it/home/articolo/idA020001032908

Le piante hanno una “testa pensante” con la quale comunicano, prendono decisioni, ricordano perfino. La prossima volta che vi capiterà di osservare un albero, o anche solo un cactus della terrazza, certo li guarderete con occhio diverso. Perché le piante, dalla quercia più imponente al fiore più esile, hanno una “testa pensante”: riflettono, si scambiano informazioni o avvertimenti, prendono decisioni. E il loro cervello segreto è nelle radici.
Una verità che Charles Darwin aveva già sospettato e che viene confermata dalla scienza. Su ogni singola punta delle radici (il nome è apice radicale) c’è un gruppo di cellule che comunica usando neurotrasmettitori, proprio come i nostri neuroni; e queste cellule elaborano e rispondono alle informazioni che arrivano qui da tutta la pianta.
Ciascun apice è autonomo, ma può anche coordinarsi con gli altri. Un vero e proprio cervello diffuso il cui funzionamento a rete ricorda quello di internet, e che permette agli alberi non solo di comunicare, ma persino di avere una memoria e una sorta di autocoscienza.
La scoperta è di un gruppo di ricercatori delle Università di Firenze e di Bonn e rappresenta una svolta in ciò che finora si sapeva sui vegetali. È nata persino una nuova scienza, la neurobiologia vegetale. Gli studiosi della nuova disciplina hanno dato vita alla Society for plant neurobiology e a una rivista, Plant signaling & behavior (comunicazione e comportamento delle piante).

“Le ricerche hanno provato che le piante si comportano come esseri intelligenti. Il rischio per noi è stato che si equivocasse una ricerca scientifica solida con credenze popolari che hanno diffuso una serie incredibile di sciocchezze” avverte Stefano Mancuso, del dipartimento di ortoflorofrutticoltura dell’Università di Firenze. La neurobiologia vegetale è nata qui e all’Università di Bonn, con il team di Frantisek Baluska, dell’Istituto di botanica molecolare e cellulare. Abbiamo scoperto che in ciascun apice radicale c’è una zona, detta di transizione, le cui cellule hanno caratteristiche neuronali. Mettono cioè in atto una trasmissione sinaptica identica a quella dei tessuti neurali animali”. 

L’impulso scorre nel cervello della pianta attraverso molecole, i neurotrasmettitori, molti dei quali sono gli stessi con cui comunicano i neuroni animali. “In questi apici troviamo glutammato, glicina, sinaptotagmina, gaba, acetilcolina. Ci siamo chiesti: che cosa ci stanno a fare, se le piante non hanno una trasmissione sinaptica?” racconta il ricercatore. Se era noto che i vegetali producono sostanze attive neurologicamente, come caffeina, teina o cannabina, la scoperta di neurotrasmettitori ha evidenziato l’attività neurale.
Anche il ruolo del più importante ormone vegetale finora conosciuto, l’auxina, è stato ridefinito. Baluska: “Permette alla pianta di accrescersi o di emettere nuove radici ed è un neurotrasmettitore specifico dei vegetali, molto simile alle nostre melatonina o serotonina”.
“È tempo di dare il benvenuto alle piante nel novero degli organismi intelligenti” afferma Peter Barlow, della School of biological science dell’Università di Bonn. Una prova di “intelligenza vegetale”, del resto, è il comportamento in caso di difficoltà. Le piante agiscono infatti con lo stesso sistema prova-errore degli animali: davanti a un problema procedono per tentativi fino a trovare la soluzione ottimale di cui, poi, si ricordano quando si presenta una situazione simile.
Se per esempio manca acqua, aumentano lo spessore dell’epidermide, ne chiudono le aperture, gli stomi, evitando la traspirazione. Riducono poi il numero di foglie aumentando quello delle radici per esplorare zone vicine.
Viene da chiedersi, però, se non si tratti di stimoli puramente meccanici.

No, si tratta di un comportamento intelligente” sostiene Mancuso. “Se le radici dovessero solo trovare acqua, potrebbe essere automatico. Ma devono anche cercare ossigeno, nutrienti minerali, crescere secondo il senso della gravità, evitare attacchi. E valutare quindi contemporaneamente le comunicazioni chimiche che le piante si scambiano attraverso l’aria e la terra: messaggi sullo stato di salute o sui parassiti. Se sono attaccate da patogeni, comunicano alle simili della stessa specie con gas e sostanze volatili che c’è un pericolo, invitandole ad aumentare le difese immunitarie. I vegetali, così, dimostrano di essere anche sociali“.

Sociali ma non necessariamente socievoli. Essendo esseri territoriali, le piante si mandano segnali del tipo “qui ci sono io”, emettendo sostanze disciolte nel terreno. Le radici intercettano le comunicazioni, capiscono se hanno vicino una pianta della stessa specie, e in tal caso la reazione è blanda, oppure se è un’avversaria, e allora diventano aggressive fino a lanciare sostanze velenose.
Tenendo conto di tutti questi stimoli l’apice decide cosa fare. Decisione che viene anche dal ricordo: una pianta che ha già affrontato un certo problema è in grado di rispondere in modo più efficiente.

“Questa caratteristica” ricorda Mancuso “era nota: si parlava di acclimatazione. Per esempio, l’olivo a ottobre-novembre si modifica per affrontare l’inverno. Finora lo si spiegava come una risposta meccanica alle variazioni ambientali. In realtà la pianta decide di farlo quando sente le condizioni che ha memorizzato”. 

Le piante hanno anche una certa coscienza di sé. Diversi esperimenti hanno mostrato che, prendendone due geneticamente identiche, due cloni, e mettendole accanto, quella che è messa in ombra dall’altra si muove alla ricerca di luce. Se invece si accorge di essere essa stessa a farsi ombra con un ramo, nulla accade.
Ma tutte le piante sono ugualmente dotate? Un filo d’erba ha lo stesso Q.I. di una quercia centenaria?

“È possibile che ci siano piante più intelligenti, ma ancora non lo sappiamo” riconosce Mancuso. “Per misurare il quoziente intellettivo di un ratto lo si mette in un labirinto e si guarda quanto impiega ad arrivare al cibo. Si è visto che una radice di mais inserita in un labirinto la cui meta era dell’azoto ci arrivava senza sbagliare, trovando la via più corta: in questo caso si tratta di organi di senso più raffinati”. 

“Siamo appena all’inizio di una rivoluzione nel nostro modo di pensare alle piante” commenta Dieter Volkmann, del gruppo di Bonn.

Questi studi, oltre a rivoluzionare le conoscenze sulle piante, hanno ricadute anche sull’uomo. I neuroni verdi possono fungere da modello per sperimentare terapie contro malattie degenerative del sistema nervoso, come il morbo di Parkinson e di Alzheimer.

“Gli animali vengono utilizzati, e con successo, in questo tipo di studi. Usare le piante non è però un regresso nella scala evolutiva” dice Mancuso. “Una cellula neuronale vegetale è sì un modello semplificato di neurone, ma proprio per questo consente di individuarne più facilmente i meccanismi. Non ci sono problemi di vivisezione e le cellule delle piante sono facilmente trasformabili geneticamente, caratteristiche che potrebbero farne un materiale da laboratorio valido dalla ricerca di base alle applicazioni terapeutiche. Il Medical research council di Cambridge, il laboratorio di biologia molecolare fucina di premi Nobel, collabora con noi in questo campo”.

Non è finita: i neuroni delle piante potrebbero presto diventare un modello anche per gli studi sull’intelligenza artificiale.
(Damiano Fedeli 30/9/2005)

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...