di Anna Strohmenger English version here
1. La Terra è viva
La Terra, come qualsiasi altro essere vivente, possiede un microbioma che respira e metabolizza delle sostanze. Le specie che compongono questo microbioma rappresentano un quarto della biodiversità esistente sul nostro Pianeta (FAO, 2015) e seppur non visibile ai nostri occhi, è costituito da un enorme numero di individui in relazione fra loro attraverso una intricata rete funzionale.
Un solo grammo di suolo può contenere più di 10 miliardi di microbi. Le loro dimensioni sono piccole. Nella maggior parte dei casi il diametro si aggira in un intervallo fra 1-10 micron e comunque sempre inferiore al millimetro, quindi possono essere visualizzati con un microscopio che può ingrandire le immagini 40, 100 e 400 volte.
Nel terreno la microbiologia ha un’importante funzione trofica: utilizza l’energia che le piante fissano attraverso la fotosintesi. Una parte di questa energia è assorbita e trattenuta nelle loro cellule, ed un’altra parte è metabolizzata per produrre diversi tipi di molecole. Le spoglie dei microrganismi morti andranno ad aggregarsi all’humus del terreno, una fonte energetica ragguardevole per la vita nel terreno.
L’humus è un agglomerato organico, chimicamente costituito da molecole di carbonio strettamente unite fra di loro con atomi di minerali inglobati; geometricamente questi legami formano dei pentagoni e degli esagoni incatenati fra loro in strutture molto stabili. L’humus rappresenta un serbatoio di nutrienti, di difficile degradabilità, un prezioso tesoro per la vita della Terra, una riserva fondamentale per la microbiologia. Dall’humus, alcune specie come i funghi micorrizici, attingono elementi nutritivi ogni qual volta questi non siano disponibili nel terreno come sostanza organica mineralizzabile. Mentre in un ambiente naturale, come in un bosco o in una prateria, l’accumulo di humus avviene normalmente nei periodi favorevoli dell’anno, in un terreno coltivato ciò si verifica d’accordo a inconfutabili condizioni: a) presenza di una rete microbica complessa ed attiva, b) piante in salute ed in grado di produrre essudati radicali c) rinnovo costante delle radici delle piante d) terreno coperto e) apporto di sostanza organica.
La copertura del terreno, o lettiera, ha un effetto fondamentale sulla vita microbica, grazie al microclima umido che si istaura nella sua massa e da una temperatura più costante che condiziona anche lo strato di terra sottostante. La lettiera inoltre ripara il terreno dagli eventi climatici disturbanti come vento, pioggia e gradine, e fa da schermo ai raggi diretti del sole, soprattutto agli UV, letali per la microbiologia. I materiali della lettiera, costituiti da fogliame, rametti, corteccia, erbe secche, esuvie ed escrementi della meso e macrofauna, costituiscono un substrato nutritivo che viene decomposto dalla microfauna (microbiologia) del terreno.
A questo punto risulta evidente che il trasferimento dell’energia nella rete alimentare del terreno ha una relazione con: a) la gestione della fertilità del terreno, b) la salute e la produttività delle piante, c) l’associazione fra piante e microbiologia. In un terreno agricolo fertile, le radici delle piante si sviluppano in un ecosistema vivo, organizzato, stimolante, dove funghi e batteri fungono da ponte fra le sostanze nutritive disciolte nella soluzione del terreno e la linfa delle piante (Howard, 1931). Funghi e batteri costituiscono i consumatori primari dell’energia fissata dalle piante, mentre i protozoi ed i nematodi benefici, come consumatori secondari, predano i funghi ed i batteri e liberano scarti solubili nutritivi (azoto amminico, amminoacidi, proteine) che vengono assimilati dalle piante, attraverso le radici, per le loro esigenze nutritive.
E’ uno scambio energetico, quello che sostiene la relazione fra piante e microbiologia nel terreno, è il risultato di una alleanza avvenuta nel corso dell’evoluzione delle specie. E’ proprio grazie a questa consociazione che gli organismi hanno potuto colonizzare la crosta terrestre ed adattarsi ad ambienti ostili e mutevoli.
Alleanze eccezionali nella storia della Terra, sono quelle che hanno implicato l’unione fra due o più specie, dando luogo a simbiosi; un esempio evidente è quello dei licheni, associazioni fra un’alga e un fungo o un’alga con un batterio e un fungo. Negli anni ‘80, la biologa Lynn Margullis ebbe l’intuizione del primo fenomeno di endosimbiosi avvenuto sulla Terra, che precedette di molti milioni di anni la comparsa dei licheni. Margullis sostenne che la fusione fra due specie unicellulari, occorsa 2 miliardi di anni fa, permise la successiva evoluzione di tutti gli organismi eucarioti multicellulari. Le specie implicate furono gli Archea e diversi tipi di Batteri. Dopo varie ricerche e dibattiti la comunità scientifica convenne che l’Archea fagocitò un Batterio e che quest’ultimo si stabilì nella cellula ospite divenendo un organulo della nuova cellula: il nucleo contenente il materiale genetico che accomuna tutte le specie eucariote. Successivi eventi di fagocitosi hanno portato alla comparsa di altri organuli cellulari, come per esempio il mitocondrio deputato alla produzione di energia nella cellula (Joseph le Doux, 2019).
Al primo eucariote della Terra è stato dato il nome LECA (Last Eucariotic Common Ancestor) per il suo importante apporto ai fini dell’evoluzione di tutte le specie che hanno abitato e che ancora abitano il pianeta. Infatti, gli Archea fagocitarono anche Batteri che possedevano cloroplasti, organuli deputati alla fotosintesi. Perciò si concluse, che da distinte fusioni cellulari, si deve l’origine di tre linee evolutive di Protisti dalle quali derivano i tre Regni o Divisioni che oggi conosciamo: Piante, Funghi e Animali.
2.I Batteri e gli Archei
I Batteri sono apparsi sulla Terra all’incirca 3,8 miliardi di anni fa, da una cellula che hanno nominato LUCA (Last Universal Ancestral Cell) e si sono diversificati per formare quello che oggi conosciamo come il Regno dei Batteri. Un milione di anni dopo si verificò una ramificazione che andò a formare un secondo regno, quello degli Archea. Batteri ed Archea fanno dunque parte del mondo della vita da molto tempo, il neurobiologo Joseph le Doux li definisce delle antiche macchine da sopravvivenza. Una delle ragioni della loro persistenza sul pianeta, risiede nella loro capacità di vivere in condizioni ambientali molto diverse. Sulla Terra i batteri si trovano ovunque: sulla terra ferma, nel mare e nell’aria. Sopravvivono bene nei recessi umidi e caldi del nostro corpo, ma anche nella neve, nel ghiaccio e nei siti che presentano alte temperature (camini idrotermali, compost, digestori anaerobi,), Gli Archea sono particolarmente degni di nota: possono sopravvivere a temperature fino a 100°C, in acque ad alta concentrazione salina, e anche nell’acido; sono cellule estremofile.
La cellula di questi organismi unicellulari, con forma tonda, ovoide, a bastoncino o spiraliforme (foto 1), possiede una membrana cellulare, che separa il citoplasma interno dall’ambiente esterno. La membrana cellulare funziona come una specie di filtro che permette solo ad alcune molecole, come l’acqua e le sostanze nutrienti, di entrare nella cellula con relativa facilità, mentre altre molecole, per entrare ed uscire, necessitano di proteine trasportatrici. Una volta all’interno del citoplasma, gli ingredienti acquisiti dall’esterno contribuiscono alle reazioni chimiche che danno origine agli enzimi e ad altre proteine che generano energia, mantengono l’equilibrio dei fluidi e degli ioni, regolano la temperatura interna, controllano i movimenti cellulari necessari ad acquisire sostanze nutrienti e difendono la cellula dai danni. Il metabolismo genera rifiuti che devono essere espulsi attraverso la membrana cellulare. A sua volta, la membrana cellulare è circondata da una parete cellulare rigida che ha funzione protettiva, impedisce alla cellula di collassare quando l’acqua esce e di esplodere quando l’acqua entra. In ogni caso la cellula batterica mantiene un equilibrio costante fra le molecole che entrano nel citoplasma, quelle prodotte dal metabolismo ed i rifiuti che escono dalla cellula. Una cellula infatti può crescere solo fino ad un certo punto, la parete cellulare non glielo permette, perciò quando si avvicina alla dimensione massima, si divide a metà e inizia da capo il processo. In questo modo, si stabilisce un equilibrio fra crescita e persistenza. Batteri ed Archea difatti si replicano per semplice divisione cellulare; si tratta di una riproduzione asessuale, poiché è coinvolto un solo organismo: da una cellula madre si formano due cellule figlie, ognuna delle quali contiene lo stesso patrimonio genetico.
Il passaggio di geni da genitore a figlio è chiamato trasferimento genico verticale, poiché entrambe le cellule figlie risultanti dalla sua divisione hanno gli stessi geni. In realtà Batteri ed Archea hanno una notevole individualità genetica, dovuta al trasferimento genetico orizzontale, un processo mediante il quale vengono acquisiti geni da altri organismi. Succede che alcune cellule possono depositare nell’ambiente circostante dei geni ed altre cellule possono raccoglierli. Ciò aggiunge diversità genetica anche tra cellule che hanno lo stesso genitore. Inoltre, come tutte le cellule, anche le cellule batteriche e quelle degli Archea possono subire mutazioni benefiche e dannose, che aggiungono ulteriore diversità genetica. Quando una cellula dei Batteri e degli Archea si divide vengono trasmessi tutti i geni: quelli mutati che hanno acquisito verticalmente dalla cellula madre, e quelli raccolti dall’ambiente. Questa abilità rende Batteri ed Archea molto bravi a sopravvivere ed a contrastare gli ostacoli che si presentano, per questo motivo sviluppano facilmente resistenze ai farmaci ed ai pesticidi.
Originariamente i Batteri e gli Archei, vivevano in un ambiente precedente all’affioramento della roccia madre, erano immersi in una specie di soluzione prebiotica. A quei tempi l’atmosfera era anaerobica, ricca di gas metano e anidride carbonica ed i Batteri e gli Archea erano organotrofi, ossia ricavavano l’energia estrapolandola da semplici molecole organo-minerali. Nel corso dell’evoluzione alcuni Batteri hanno acquisito la capacità di utilizzare la luce solare come fonte d’energia, avevano differenziato una sorta di cloroplasto primitivo in grado estrapolare il Carbonio dall’anidride carbonica (CO2), necessario per il loro metabolismo cellulare, mentre l’atomo di Ossigeno (O2) veniva liberato nell’ambiente. La popolazione degli organismi fototropici nel corso dell’evoluzione del pianeta crebbe a tal punto che la concentrazione dell’Ossigeno nell’atmosfera raggiunse un livello alto, addirittura 1% in più di quello attuale. L’alta disponibilità di ossigeno, favorì l’evoluzione degli organismi aerobici.
Attualmente il regno di Batteri include specie di diverso tipo: strettamente anaerobiche, come i lattobacilli, aerobici come gli azotofissatori, e aerobici facoltativi come il Bacillus subtilis.
Nell’ambito della Rete Trofica del terreno, ai Batteri e agli Archea si riconosce l’importante funzione di decompositori. La decomposizione avviene all’esterno delle loro cellule, grazie ad enzimi che essi secernono nella soluzione che li circonda. Gli enzimi sono delle proteine solubili in grado di promuovere una reazione chimica, ovvero attivano delle reazioni di ossido-riduzione che scompongono semplici zuccheri e proteine in aminoacidi ed elementi costitutivi. In un terreno convivono diverse tipologie di batteri, in grado di attaccare simultaneamente o in sequenza le diverse sostanze presenti, cosa che succede grazie a segnali ambientali o biochimici che li avvertono quando è l’ora di attivarsi. Ad esempio in primavera, quando la temperatura dell’aria ed il numero di ore luce aumenta, le radici delle piante emettono nella soluzione del terreno degli essudati, consistenti in composti zuccherini semplici e specifici, che risvegliano i Batteri, quelli presenti nella rizosfera, nei 3 mm attorno agli apici radicali. I Batteri rispondono a questo segnale con la produzione di auxina, un ormone che induce la pianta a sviluppare inizialmente nuovi apici radicali; l’auxina assorbita dalle radici entra nel flusso linfatico e va agire anche sul risveglio delle gemme dei rami.
Nell’ecosistema del suolo, la disponibilità dell’azoto è fondamentale, la natura ha risolto questa dipendenza grazie a Batteri in grado di fissare l’azoto dell’atmosfera: gli azotofissatori. Nell’aria che respiriamo la concentrazione dell’azoto è alta, raggiunge l’80%, ma si trova in una forma chimica non utilizzabile dagli organismi, eccetto per i batteri azotofissatori che trasformano l’azoto atmosferico (N2)in azoto ammoniacale (NH4), assimilabile dalle piante. Nel caso in cui nella soluzione del terreno ci fosse una alta disponibilità di azoto, i batteri si disattivano e riprenderanno a fisare azoto solo quando l’ecosistema lo richiederà di nuovo. A volte succede che la popolazione degli azotofissatori, ciò vale anche per altre tipologie di batteri, si riduca notevolmente o sparisca da un suolo coltivato per un declino di condizioni di vita basilari, fra queste, abbastanza comune al giorno d’oggi è la mancanza d’ossigeno determinato dalla compattazione del terreno. Questa problematica è molto diffusa oggi, non solo nelle colture trattate in maniera persistente con mezzi tecnici di origine chimica (fertilizzanti, erbicidi, pesticidi), ma anche dove le pratiche agricole invasive disturbano gli aspetti strutturali della vita nel terreno causando la soppressione di uno o più gruppi microbici.
3.I Funghi
Circa seicento milioni di anni fa i funghi emersero dalle acque superficiali per colonizzare la terra ferma. Il biologo Sheldrake Merlin ci racconta come i funghi che vivevano in un habitat acquoso sono stati capaci di colonizzare la roccia madre, grazie alla loro capacità di attaccarsi sulle superfici, di radicarsi e di ricavarvi gli elementi nutritivi. A questa abilità si aggiunse l’attitudine dei funghi di allearsi con specie del regno vegetale, costituendo delle associazioni salde che sussistono ancor oggi, ne sono un esempio i licheni e le micorrize. Questa prerogativa dei funghi risiede nella loro abilità di spostamento, comunicazione, e trasporto delle soluzioni nutrienti nella loro struttura interna.
Il fungo si propaga per spore che si diffondono negli habitat attraverso l’aria, l’acqua, e trasportati da altri esseri viventi. La spora fungina ha la caratteristica di appiccicarsi sulle superfici su cui viene in contatto, ed in condizioni di temperatura e umidità ideali, germina dando origine ad una ifa (foto 2). L’ifa presenta un sottile apice (1-3 micron), che possiamo considerare come un vero e proprio organo sensitivo, cresce in lunghezza, avanza in modo lento e continuo nel terreno, dove si ramifica più e più volte, in cerca di substrati che percepisce per via biochimica o elettrostatica (foto 3). La nutrizione avviene, come per i Batteri, per via enzimatica. Gli enzimi fungini, prodotti all’interno dell’ifa ed emessi nell’ambiente attraverso l’apice, degradano substrati specifici tipo: cellulosa, lignina, chitine ed altri polimeri complessi. Dalla degradazione enzimatica si liberano nella soluzione del terreno, molecole organiche più semplici, contenenti carbonio, azoto e minerali solubili, assorbiti a livello dell’apice dell’ifa e poi traslocati all’interno del micelio.
La parete dell’ifa, a pochi micron sopra l’apice, s’ispessisce per accumulo di polisaccaridi in strati sovrapposti, ciò conferisce la robustezza e la tenacità necessaria per lo scorrimento dei nutrienti al suo interno. E’ stato dimostrato da ricercatori micologi che i Funghi sono in grado di orientare il flusso dei nutrienti verso determinate zone del micelio, grazie alla presenza di setti divisori che si aprono o chiudono, a seconda delle necessità operative del Fungo.
Un’importante abilità dei Funghi che vivono nel terreno, è quella di definirne la struttura; l’ifa penetra nel suolo e avanza in maniera perpendicolare alla superficie, attraverso degli stretti spazi. Il Fungo nel suo itinerario, unisce e lega le particelle di terra agli agglomerati organici, fino a formare degli aggregati stabili che attraggono Batteri, Protozoi e Nematodi (foto 4). Si forma una rete strutturale articolata e funzionale nella quale organismi di diversi regni condividono spazio ed alimenti.
Fra gli aggregati vi sono anche degli spazi vuoti, che definiscono la micro e la macro porosità del terreno, ciò assicura la circolazione dell’aria e dell’acqua nel terreno, mentre i gas tossici, risultanti dal metabolismo microbico, possono fuoriuscire dal suolo.
Il regno dei Funghi si suddivide basicamente in 4 categorie: i saprofiti, i parassiti, i micorrizici e gli endofiti. Secondo Paul Stamet, il più grande micologo del nostro tempo, circa 8.000 specie di Funghi sono saprofitici, 2.000-3.000 sono micorrizici, e gli altri sono parassiti e endofiti.
I Funghi saprofiti sono i principali decompositori, che grazie alla loro attività demolitiva su piante, insetti e altri animali morti, organizzano il menù della catena alimentare del suolo e la proliferazione della comunità biologica.
I Funghi parassiti fino a poco tempo fa erano considerati solo come dei predatori che mettono a rischio la salute dell’ospite. Oggi gli si attribuisce una funzione ecologica: l’eliminazione delle piante deboli per avvantaggiare e selezionare le piante più forti e per risanare gli habitat danneggiati,
I Funghi micorrizici, sono associazioni intimamente legate alle radici delle piante, con benefici evidenti per entrambi. Resti archeologici ci mostrano che tale associazione già esisteva 400 milioni di anni fa. Alcune specie micorriziche formano un manicotto spesso attorno alle radici delle piante (ecto-micorrize), altre penetrano all’interno delle cellule radicali delle piante ospiti (endo-micorrize) dove avviene lo scambio di nutrienti. L’associazione consente ai Funghi di ricevere direttamente dalla pianta degli zuccheri prodotti dalla fotosintesi fogliare, mentre le Piante ricevono sali minerali e molecole organiche che i Funghi assorbono dalla soluzione del terreno e trasportano all’interno della radice. E’ visibile l’effetto dell’associazione micorrizica sull’accrescimento, vigore e maggior resilienza delle piante.
I Funghi endofiti, sono principalmente benevoli, i loro partner-vegetali sono molto diversificati, fra erbe e piante. Il loro micelio s’infila fra una cellula e l’altra, non penetrano nelle cellule vegetali come fanno i funghi micorrizici; la loro presenza migliora la crescita, l’assorbimento dei nutrienti e la difesa delle piante. Infatti, alcuni endofiti si comportano da antagonisti di specie fitoparassite; in questa categoria si includono anche gli entomopatogeni ed i nematopatogeni in grado di infettare specifici insetti o nematodi fitoparassiti. Gli endofiti a differenza dei Funghi micorrizici, possono essere riprodotti facilmente in laboratorio e vengono applicati a piantagioni per scopi stimolanti e biodifensivi, fra questi si annoverano diverse specie: Trichoderma spp. Beauveria bassiana, Metarhizium spp, Lecanicilium spp, Purpuleocillium lilacinum, Areobasidium sp.
I Funghi possono essere visualizzati ad occhio nudo quando presentano un corpo fruttifero grande, come nel caso dei funghi mangerecci, o quando il micelio è molto spesso, di aspetto spugnoso, cotonoso o polverulento e di tonalità diverse: bianco, grigio, verde, giallo, arancione, lilla, dipendendo dalla specie. La maggior parte dei funghi presenti nel terreno devono essere visualizzati al microscopio dato che le porzioni di ife estratte presentano un diametro inferiore al millimetro.
4.Come funziona la rete trofica del suolo
Le piante, grazie alla loro capacità autotrofa, apportano alla rete trofica del terreno zuccheri ed altre molecole per attirare a se le specie microbiche con cui si alleano per scambiare nutrienti e per ottenere una protezione adeguata. Attorno e all’interno degli apici radicali si forma un fitto consorzio microbico che fa da scudo protettivo ed assicura una intensa attività metabolica della Rete Trofica del Suolo anche quando le condizioni biotiche e abiotiche non sono favorevoli.
La Rete Trofica del suolo si articola in quattro livelli:
1°Livello – E’ costituito dalle piante che sono i produttori primari di zuccheri che essudano dalle radici, diffondendoli nei tre millimetri circostanti. Le piante essudano anche dalla superficie delle foglie per attrarre la microbiologia. Per i batteri ed i funghi gli essudati zuccherini, rappresentano una fonte energetica che li mantiene in vita. Le piante forniscono pure degli scarti organici ricchi di carbonio che cadono sulla superficie del suolo, fra questi: foglie, legno, cortecce, fiori, polline, che vengono decomposti dai Funghi e dai Batteri.
2°Livello – Include i consumatori primari: Batteri, Funghi (includendo i funghi micorrizici). Si alimentano di zuccheri, più o meno complessi a seconda delle specie. La maggior fonte energetica è rappresentata dagli scarti del mondo vegetale che Batteri e Funghi decompongono in elementi costitutivi assorbibili dalle piante oltre a produrre humus.
3° Livello – Comprende i consumatori secondati: Protozoi, Nematodi batteriofagi e Nematodi fungivori. Attraverso l’attività predatoria, ricavano energia per moltiplicarsi e spostarsi nella fitta Rete Trofica. I loro scarti metabolici, riversarti nella soluzione del terreno, vengono assimilati direttamente dalle piante o riutilizzati dai consumatori primari.
4° Livello – Similmente al livello precedente, include predatori, consumatori terziari, perché vivono predando tutte le specie dei livelli precedenti. Fra questi si distinguono i Nematodi onnivori ed i Nematodi predatori oltre ai Microartropodi, gli Enchitradae, i Tardigradi e qualche altra specie, Anche questo gruppo restituisce i nutrienti al terreno in quanto produce scarti metabolici solubili assimilabili dalle piante.
Bibliografia
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