La lumaca fotosintetica (Elysia spp.)

Just a spoonful of sugar helps the chloroplast go down
In a most delightful way

Mary Poppins, Algologa vittoriana

Sarebbe comodo se anziche’ decidere cosa mangiare, andare a fare la spesa, cucinare e lavare i piatti (non necessariamente in quest’ordine), si potesse rimanere comodi in spiaggia tutto il giorno a prendere il sole e tornare la sera con un piacevole senso di sazieta’, felici della giornata di ozio passata a leggere “Introduction to genomics”, o magari anche qualcosa di meno divertente come un quotidiano o le parole crociate. L’unico effetto collaterale e’ che anziche’ di un bel color bronzeo (o aragosta, nel mio caso), saremmo di uno splendido color verde lattuga.

Le lumache marine del genere Elysia sono riuscite laddove tutte le casalinghe in vacanza hanno fallito: sono diventate fotosintetiche e possono passare fino a 10 mesi senza doversi procurare da mangiare.

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Elysia chlorotica. Foto: Mary S. Tyler in:  PNAS.org

In breve, la faccenda funziona cosi': le lumache assumono i cloroplasti dalle alghe che mangiano e diventano verdi e fotosintetiche, una chimera tra un animale e una pianta.

Queste lumache appartengono al clade dei Sacoglossa, che sono lumache che per nutrirsi perforano con la radula (la lingua) le cellule delle alghe e ne succhiano il contenuto (da non confondere coi nudibranchi!). La radula normalmente nei gasteropodi ha la superficie coperta di minuti dentini acuminati, come una raspa, ma nei Sacoglossa ha una sola fila di dentini per perforare piuttosto che per abradere. Sia chiaro, non stiamo parlando di animali microscopici che perforano le cellule una alla volta: queste lumache sono bestioni che arrivano anche a 10 cm e l’azione compiuta e’ simile a quella che faremmo nel  leccare un gelato.

Il contenuto cellulare viene ingerito e fisce nel tratto digerente che e’ opportunamente ramificato in modo da essere esteso a quasi tutto il corpo dell’animale. Il citoplasma e gli altri organelli vengono digeriti, ma i cloroplasti subiscono un ben piu’ interessante, differente destino: vengono inglobati dentro speciali cellule diffuse nel tratto digestivo, soprattutto all’estremita’ delle convoluzioni intestinali, e li continuano a sopravvivere e funzionare.

I cloroplasti sono gli organelli deputati a svolgere la fotosintesi, che e’ quel processo che cattura l’anidride carbonica dell’aria e la converte nello zucchero semplice glucosio, con rilascio di ossigeno come materiale di scarto. Usando anidride carbonica radioattiva (marcata con l’isotopo 14C) si e’ potuto osservare che i cloroplasti ingeriti rimangono efficienti nella lumaca come se fossero nella loro cellula algale originale. La lumaca converte poi il glucosio in galattosio (lo zucchero semplice del latte) e lo usa per tutte le sue necessita’ convertendolo in proteine e altro: tutto quello che deve fare e’ vivere in acque poco profonde ed esporsi il piu’ possibile alla luce solare per attivare la fotosintesi nei cloroplasti. Per avere una maggior superficie da esporre, e quindi fare piu’ fotosintesi, moltissime delle Elysia hanno evoluto pseudopodi ramificati che formano dei riccetti da cicisbeo sui fianchi e a volte sul dorso di questi animali, la forma del corpo si e’ allargata e appiattita e la superficie dorsale e’ semitrasparente per consentire la penetrazione dei raggi solari. Un prezzo onesto, in cambio di mangiare gratis. Naturalmente, nulla e’ davvero gratis e la lumaca necessita ogni tanto di assumere i contenuti cellulari delle alghe come fonte di oligoelementi e altri cloroplasti.

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Elysia crispata. Foto & copyright:   Anne DuPont, Delray Beach, Florida USA

Altri animali, come i polipi dei coralli, sfruttano un principio del genere ma nessuno e’ mai arrivato ad un simile livello di perfezione. I polipi dei coralli, ad esempio, vivono in simbiosi con le zooxantelle che sono alghe brune unicellulari che forniscono zuccheri al polipo in cambio di una comoda vita sedentaria, protette dentro il polipo. Si tratta pero’ della simbiosi tra due organismi, e non dell’assunzione di un organello specializzato. Quello che fa Elysia invece viene chiamato “cleptoplastia” (letteralmente, furto di plastidi)  ed e’ un fenomeno ben diverso, perche’ non prevede la convivenza con un altro organismo eucariote, ma lo sfruttamento assoluto degli zuccheri prodotti dai cloroplasti.

Dal canto loro, i cloroplasti non notano moltissimo la differenza poiche’ fare simbiosi con un vegetale o con un animale per loro non e’ che faccia gran differenza. I cloroplasti infatti in origine non nascono come organelli cellulari, ma come batteri a vita libera in grado di effettuare la fotosintesi (oggi li chiamiamo cianobatteri). E’ possibile che l'”infezione” di cellule eucariote da parte di cianobatteri fotosintetici sia avvenuta molte volte nel corso della storia della vita sulla terra. Altre volte addirittura il “furto” dei preziosi cloroplasti ha convolto l’incorporazione di intere cellule eucariotiche. Ad esempio i cloroplasti delle alghe brune derivano da cianobatteri con un tipo di clorofilla differente, la clorofilla c (assente nelle piante superiori). Questi batteri furono incorporati, nella notte dei tempi biologici, in un eucariote del clade Rhodobionta, e questo rhodobionta fu incorporato in blocco dentro l’alga bruna, che ora e’ incorporata dentro i polipi dei coralli. Come le matrioska, insomma. Tutto, pur di avere un po’ di zucchero in piu’. Una storia analoga a quella del cloroplasti l’hanno avuta i mitocondri, ma questa e’ una storia che ho gia’ raccontato altrove.

Il processo di incorporazione di un organismo in un altro pero’ non e’ banale. Comporta rimodellamenti pesantissimi, perdita o acquisizione di membrane cellulari, fusione di citoplasmi e pathway biochimici e, soprattutto, lo spostamento di geni da un genoma all’altro. Inutile infatti sprecare energie per produrre due copie della stessa proteina, una del cloroplasto e l’altra dell’alga. E cosi’, succede che il DNA dei cloroplasti e’ ridotto al minimo, e la maggior parte dei loro geni sono stati integrati nei cromosomi dell’alga. Solo circa il 13% delle proteine che occorrono al cloroplasto sono quindi sintetizzate dall’organello stesso, il resto viene fornito da geni ora presenti nel nucleo algale.

Questo crea un problema alle Elysia, poiche’ non sono in grado di fornire ai cloroplasti tutto quello di cui hanno bisogno e dopo qualche mese li devono rimpiazzare con cloroplasti freschi estratti dall’alga. Ad esempio, ne’ i cloroplasti ne’ Elysia sono in grado di produrre la molecola di clorofilla, e cosi’ pure Elysia non e’ in grado di assistere i cloroplasti nel loro processo di replicazione. Ciononostante, Elysia ci ha provato.

E’ infatti avvenuto quello che i genetisti chiamano un “trasferimento orrizzontale” di geni da una specie all’altra, dall’alga alla lumaca, ed ora le Elysia esprimono nel loro DNA diversi geni provenienti in origine dall’alga e che codificano per proteine dei cloroplasti, il che spiega la lunga persistenza e funzionamento ottimale dei cloroplasti all’interno dei diverticoli intestinali dei gasteropodi. Ad esempio, Rumpho et al sono riusciti ad identificare in Elysia chlorotica il gene psbO appartenente al genoma di Vaucheria litorea, un’alga di cui la lumaca si nutre, che codifica per un componente del fotosistema II molto vulnerabile ai danni e che necessita di essere continuamente rimpiazzato.

 

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Elysiella pusilla. foto: Heike Wägele & Annette Klussmann-Kolb in: frontiersinzoology.com

La stessa specie di lumaca si nutre di piu’ specie di alghe nel corso della sua vita ed e’ in grado di incorporare i cloroplasti di tutte le specie di cui si nutre, segno che comunque la specificita’ non e’ enorme e il trasferimento di geni e’ comunque ridotto a quelli che esprimono proteine ubiquitarie. E. clarki ad esempio si nutre di quattro specie di macroalghe dell’ordine Bryopsidales (Penicillus capitatus, Penicillus lamourouxii, Halimeda incrassata, e Halimeda monile).

I cloroplasti pero’ non offrono solo nutrimento alle Elysia, fanno loro anche un altro grande favore: le rendono mimetiche. Una lumaca senza guscio che vive in acque basse e poco profonde, infatti, e’ esposta senza pieta’ all’occhio di tutti i predatori di passaggio. La sua unica speranza quindi e’ quella di mimetizzarsi con l’ambiente e passare inosservata. I cloroplasti ingeriti rendono le lumache dello stesso, identico verde delle alghe  su cui vivono e il corpo della lumaca ha assunto anche per ragioni di mimetismo la forma di una foglia, il che la rende incredibilmente capace di mescolarsi con lo sfondo.

Il processo di acquisizione dei cloroplasti avviene durante la fase giovanile della lumaca. Le veligere (larve), che sono planctoniche, si nutrono di alghe ma non ne assumono i cloroplasti. C’e’ anche il dubbio che in alcune specie le veligere non si nutrano affatto, anche se per svilupparsi necessitano la presenza della loro alga ospite.

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Elysia gordanae. Foto: seaslugforum.net

La distribuzione di questi animali e’ estesa a tutte le acque tropicali del globo, purche’ siano ben soleggiate e poco profonde, ma se volete vedere una di queste meravigliose lumache ad energia solare non dovete fare molta strada: ce n’e’ anche una specie che vive nell’Adriatico,  sebbene non sia tra le piu’ verdi:  Elysia gordanae, lungo le coste della penisola istriana.  Complessivamente otto specie vivono nel Mediterraneo: Elysia hopei, Elysia flava, Elysia timida, Elysia translucens, Elysia viridis, Elysia gordanae, Bosellia mimetica, Elysia ordanae. Ci sarebbe anche la misteriosa Elysia hetta, che dovrebbe vivere sulla costa salentina nel Golfo di Taranto, ma le uniche informazioni su di lei vengono da una pubblicazione di Perrone (1990) che mi sembra sia introvabile. Cito sotto la referenza completa, se qualcuno ne sa di piu’ o puo’ procurarmi l’articolo gliene sarei molto grata.

L’orologiaio e’ cieco e l’evoluzione e’ imprevedibile. SE il trend continuasse cosi’, nell’arco di qualche decina di migliaia di anni le lumache potrebbero diventare completamente autotrofe, i primi animali ad eliminare completamente il problema di procurarsi il cibo. Ma siccome le vie dell’evoluzione sono imprevedibili, potrebbe accadere di tutto, dall’estinzione del clade al ritorno alla vita da consumatori primari, o magari potrebbero diventare, alla lunga, carnivore  e intelligenti.

Referenze:

www.seaslugforum.net

Nicholas E. Curtis et al. (2006) DOI: 10.1007/s00227-006-0398-x

Rumpho, M. (2000). Solar-Powered Sea Slugs. Mollusc/Algal Chloroplast Symbiosis PLANT PHYSIOLOGY, 123 (1), 29-38 DOI: 10.1104/pp.123.1.29

EASTERN MEDITERRANEAN OPISTHOBRANCHIA: ELYSIIDAE (SACOGLOSSA = ASCOGLOSSA) THOMPSON and JAKLIN J. Mollus. Stud..1988; 54: 59-69

Perrone, A.S. (1990) Una nuova specie di Elysiidae, Elysia hetta nov. sp. dal litorale salentino (Mediterraneo, Golfo di taranto) (Opisthobranchia: Sacoglossa). Atti Soc. It. Sci. Nat. e Mus. Civ. St. Nat. Milano, 130(18): 249-252

 

Published by tupaia on agosto 14th, 2009 tagged Erbivori, invertebrati, marini


28 Responses to “La lumaca fotosintetica (Elysia spp.)”

  1. Lopo Says:

    Sorbole!

  2. dund Says:

    ah ecco non sono terrestri.

  3. dund Says:

    la tracina ha detto: le lumachine fanno le galatine.

  4. claudio Says:

    fantastico!!!!
    ma queste lumache quanto vivono?

  5. tupaia Says:

    Hanno un ciclo vitale di 11 mesi, in media

  6. Andrea Says:

    Ma perchè quando studiavo io fonti come queste non c’erano?
    Essere studenti di biologia con internet a portata di mano diventa una passeggiata, secondo me…
    Oppure gli studenti sono così imbranati che scoprono queste fonti solo dopo la laurea, quando non hanno più nulla da fare e girovagano sul web?

    Andrea scripsit.

  7. mariof Says:

    L’ho sempre considerata interessante,peccato aver appreso che la biologia può essere divertente solo ora: mi sembra di aver sprecato un sacco di tempo; cmq finchè posso me la spasso. Grazie.

  8. Marco Ferrari Says:

    Perrone è (o forse era) a Porto Cesareo, non sai come contattarlo?
    Comunque la prima volta che vado al Mueso ti rintraccio il lavoro, se ti interessa ancora.
    Non sanno niente neppure sul Seaslug Forum, figurati

    Marco

  9. tupaia Says:

    Marco: Perrone non lo conosco (andavo in vacanza a Porto Cesareo quando ero ragazzina, e all’epoca il massimo della biologia che praticavo era pescare i granchi con mio zio).
    Ho rilanciato la palla sul forum di Argonauti, specializzato per la wildlife di Puglia e Basilicata, ma anche li nessuno sembra saperne niente, almeno finora.
    Se riesci a procurarmi l’articolo te ne sarei davvero grata, sono disposta ad offrirti un Negroni la prima volta che passo da Milano (che potrebbe essere tra un paio di settimane, devo vedere che scalo faccio).
    Ciao!

  10. Marco Ferrari Says:

    “che potrebbe essere tra un paio di settimane”.

    Quando io sarò in ferie (at last). Comunque non importa, magari prima o poi passo per la perfida albione.

    Marco

  11. Carlo Says:

    Mi sfugge un punto : quando dici ” E’ infatti avvenuto quello che i genetisti chiamano un “trasferimento orrizzontale” di geni da una specie all’altra, dall’alga alla lumaca, ed ora le Elysia esprimono nel loro DNA diversi geni provenienti in origine dall’alga ”

    Vuoi dire che la lumaca ha “rubato” un pezzo di Dna dell’alga ?

    Puoi spiegarci come questo sia possibile ?

    Bel post comunque, a occhio uno dei migliori.

  12. tupaia Says:

    Carlo: si, esattamente, la lumaca ha rubato dei geni all’alga. Ci sono vari modi perche’ un trasferimento orrizzontale avvenga. Uno dei piu’ comuni e’ utilizzando dei Trasposoni, che sono elementi mobili del DNA che tutto quello che fanno e’ infilarsi nel DNA degli eucarioti e saltare via quando gli aggrada. Una specie di DNA parassita, molto comune anche nel nostro genoma. A volte l’escissione del trasposone e’ imperfetta e si porta via anche un pezzo di genoma dell’ospite, che poi inserisce nell’ospite successivo. Se l’inserzione del nuovo gene e’ evolutivamente vantaggiosa, sara’ ovviamente mantenuta.
    Naturalmente per fare questo ci vogliono tempi molto lunghi

  13. Tom Tomburo Says:

    Mi chiedo se Frank Herbert avesse in mente queste bestie meravigliose, quando inventò la Trota delle sabbie di Arrakis. Dal punto di vista ecologico (?) non ci azzeccano nulla e poi sono esseri di fantasia, ma pur sempre animali autotrofi… ok, non del tutto, ma ci vuol tempo. Vorrei vivere un miliardino di anni per il solo gusto di constatare se (e come) queste lumacone ci riusciranno.

    Il mio sogno è produrre il mio proprio glucosio e le mie proteine, senza abbisognare di un apparato digerente gigantesco, pietosamente inefficiente e a tratti doloroso (per non menzionare i milioni di simbionti che ci vivono), che serve solo ad assumere le molecole che altri hanno sintetizzato per me… sarò un po’ estremo, ma considero tutti gli esseri non autotrofi come dei decompositori, animali “superiori” compresi. Tanto valeva nascere fungo, ma vallo a dire a quelli che pensano che l’uomo sia l’essere perfetto e l’apice della “creazione”.

    Comunque non le conoscevo affatto. Splendido post, da rileggere subito. Grazie.

  14. tupaia Says:

    Tom Tomburo: No, Frank Harris, se mai si e’ ispirato a qualcosa, si e’ ispirato ad un animale del deserto su cui prima o poi mi decidero’ a scrivere. Dammi tempo, sono lenta.

    Io invece son contenta di essere al vertice della catena alimentare, cosi’ nessuno mi trova appetibile da viva.

  15. Tom Tomburo Says:

    Non conosco nemmeno questo, ma nessuno ti mette fretta.
    In realtà mi sono sempre chiesto se sia possibile, in linea teorica, che un essere vivente totalmente autotrofo sviluppi (o conservi) una mobilità paragonabile a quella di un animale molto attivo, come un mammifero o un uccello, e se autotrofia significhi necessariamente fotosintesi. Ovviamente non pretendo una dissertazione qui, ma magari hai qualche lettura abbastanza accessibile da consigliarmi, non saprei a chi altro chiedere, sempre che qualcuno abbia mai trattato simili ipotesi.

    P.s.: credo che ti sia scappato un piccolo lapsus, sempre che parliamo dello stesso autore.

  16. tupaia Says:

    Tom tomburo. No, fotosintesi non e’ sinonimo di vita sessile, per quel che ne sappiamo, infatti esistono un sacco di alghe microscopiche libere di galleggiare, il cosiddetto fitoplancton, e teoricamente non e’ inconcepibile movimento attivo e fotosintesi, solo che non e’ accaduto. Il limite e’ l’assorbimento di acqua e nutrienti. Se te ne vai in giro e non hai una bocca, da dove li prendi?
    Oltre agli organismi in grado di fare la fotosintesi esistono molti tipi di batteri detti chemioautotrofi, che ricavano energia non dalla luce solare ma dalla scissione di alcune molecole. Ne ho scritto qualcosa in proposito in questo post:
    http://www.lorologiaiomiope.com/?p=43.
    Non mi viene in mente pero’ nessun eucariote chemioautotrofo salvo, forse, indirettamente, questo: http://www.lorologiaiomiope.com/?p=493. I chemioautotrofi non hanno vinto la lotteria dell’evoluzione in eucarioti.

    Hai ragione sul mio lapsus, Herbert e non Harris, ovviamente. Io ho letto Dune solo per capire il ciclo biologico dei vermoni ma non sono riuscita ad andare oltre il terzo libro, il quarto era troppo soporifero. Ne consegue che non mi ricordo mai neanche il nome dell’autore, pisolavo gia’ alla prima di copertina del primo libro :D

  17. ParkaDude Says:

    Bellissimo blog, appena scoperto. E queste lumache…! Cacchio non sospettavo neanche fosse possibile. Interessante quello che dici sul lateral gene transfer. Ma e’ un’ipotesi o e’ stata verificata?

    (no, perche’ se non e’ stata verificata ci si puo’ fare un pensierino)

  18. tupaia Says:

    Parkadude: ahime’ temo sia stata verificata

  19. AntonB Says:

    interessante, questi allora questi sono ancora meglio di certi nudibranchi che operano lo stesso furto di cloroplasti, peraltro alcune specie di nudibranchi sono anche in grado di conservare le tossine (alle quali sono innoque) provenienti dalle meduse ingerite e di esporle sulle estroflessioni

  20. ilario Says:

    blog geniale, articoli intriganti, brava lisa
    hai anche un simpaticissimo modo di scrivere
    perchè non apri una bella rubrica su repubblica? l’orologiaio miope sarebbe un titolo azzeccatissimo
    buon lavoro!

  21. tupaia Says:

    ilario: io ci starei se Repubblica mi volesse e mi pagasse. Solo che mi immagino gia’ la scena:
    “salve, Signor Repubblica, avrei questo bellissimo blog, potrei tenere una rubrica sul vostro giornale?”
    “Che tessera di partito hai?
    “Nessuna, non vivo neanche in Italia”
    “E la tessera da giornalista ce l’hai?”
    “Ahime’, temo di no, sa io ho studiato Biologia, mi serviva come background per scrivere le cose che scrivo, senza offese, ma avevo bisogno di scrivere informazioni corrette e vedo che la scuola di giornalismo non fornisce queste skill, almeno non in campo scientifico”
    “Ma almeno vieni da un eminente ente di ricerca, che so, hai almeno preso una borsa di studio in evoluzionismo al CNR in tempi recenti?
    “Ehm, no, io vengo dall’Imperial College London”
    “Mai sentito nominare. Ma cos’e’, una scuola privata?” [questa e’ vera, mi e’ stata detta qui da un funzionario del consolato generale italiano]”Se ti iscrivi al partito X, prendi la tessera di giornalista e ti fai raccomandare da mio cognato, forse, ti permetto di scrivere una rubrica di 500 parole, semestrale. Gratis, naturalmente”
    “Ehm, penso a questo punto che avrei preferito cominciare la mia brillante carriera dei media con i cinque minuti bimestrali alla radio del Canton Ticino, gratis anche li [vera anche questa]
    “ok, allora la rubrica “animali sconosciuti” la faccio scrivere dal cuggino del redattore capo, che ora scrive gli articoli sulla pallamano e ognit anto fa gli oroscopi”

  22. LUCIA Says:

    salve,qualcuno potrebbe mica indicarmi dove è possibile trovare queste lumache? Mi piacerebbe metterle nel mio acquario marino.

  23. La lumaca fotosintetica | Lega Nerd Says:

    […] Fonte. animali (28), cloroplasti, elysia, evoluzione (16), fotosintesi, lumaca (2) Share Tweet Effettuare il login per lasciare un commento 0 […]

  24. Fotosintesi alternative: la Vespa orientale e la xantopterina « Il chimico impertinente Says:

    […] Tra i molluschi ha riscosso un certo clamore la recente notizia sulla proficua relazione simbiotica dei cloroplasti assimilati cibandosi di alghe. Le lumache marine del genere Elysia infatti, dopo un buon pasto a base Vaucheria litorea e affini, diventano verdi e sfruttando la fotosintesi riescono a digiunare fino a dieci mesi, come ci racconta con dovizia di particolari l’orologiaio miope. […]

  25. Gli OGM non sono kasher - L'estinto Says:

    […] Una distinzione che stupisce, soprattutto quando si scopre, ad esempio, l’esistenza di lumache in grado di fare la fotosintesi grazie ai cloroplasti e al materiale genetico proveniente dalle […]

  26. Gianpaolo Says:

    Davvero grazie per il tuo articolo, mi pare azzeccato,
    thanks

  27. Emanuele Says:

    La scienza è democratica.
    Non lo è (fortunatamente)nelle idee ma lo è nelle revisioni. Tutti possono correggere tutti e, a quanto pare, il sogno è finito…
    http://www.nature.com/news/solar-powered-sea-slugs-can-survive-in-the-dark-1.14197

  28. Alessandro Says:

    Ho trovato L’Elysia Timida sul promontorio di Baratti(Li), ho alcune foto :) E’ Affascinante :)
    Da alcuni anni la monitoro, vive stabilmente li, incurante delle tempeste che smuovono massi a pochi metri da lei. Sopravvive !! Mitica!!
    Grazie dell’articolo, e dei libri che ho letto divertendomi moltissimo!

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