I virus: gli invisibili burattinai del mare e dell’evoluzione

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Controllando gli organismi ospitanti i virus svolgono un ruolo cruciale nella risposta degli oceani al cambiamento climatico. Ma nel passato ne hanno avuto uno fondamentale nell’evoluzione degli eucarioti.

Nel 2010 i biologi marini ne avevano contate poco più di 5000 specie, ma nel 2016 erano già 15.000. La grande sorpresa arriva nell’aprile del 2019, quando i ricercatori del progetto Tara Ocean e dell’Università Statale dell’Ohio, dopo aver setacciato 80 siti diversi nei mari del mondo, scovano e isolano ben 195.728 virus diversi. Non è solo la varietà a stupire i ricercatori, ma anche la quantità: una goccia d’acqua vicino alla costa o vicina alla superficie può contenere più di due milioni di virus. Secondo gli studi emergenti sarebbero la forma biologica più diffusa sul pianeta.

Ci rassicura il fatto che la maggior parte dei virus marini siano fagi, abbreviazione di batteriofagi, che per definizione aggrediscono essenzialmente i batteri, e che, più che killer siano dei manipolatori. Ai virus non interessa tanto uccidere quanto replicarsi. Per farlo inducono le cellule ospiti a comportamenti che li favoriscono.

Nella vita marina sembra che questa loro azione avvenga su una scala così vasta da poter influenzare il clima. Una performance di tutto rispetto, per delle entità così piccole da essere invisibili ai microscopi ottici. Rilevare la loro presenza nell’ambiente o in un organismo in modo affidabile è una sfida vinta solo di recente, anche grazie alla messa a punto della PRC (reazione a catena della polimerasi) un procedimento laborioso inventato a Berkley da Kary Mullis, che consente di amplificare RNA e DNA per ottenerne quantità rilevabili. È questo il procedimento che si usa per analizzare i tamponi faringei per rilevare il COVID-19.

I virus sono entità biologiche elusive, tanto che anche il loro status è dubbio. Che siano o meno degli esseri viventi è al centro di un dibattito scientifico ancora aperto. Non hanno metabolismo, ma sono perfettamente in grado di riprodursi sfruttando le proprietà delle cellule che riescono a invadere.

Come i virus informatici consistono sostanzialmente di un codice. Nel caso dei virus biologici, si tratta di un RNA racchiuso in un involucro proteico munito di chiavi false, chiavi in grado di ingannare le barriere esterne delle cellule e di hackerarle a loro piacimento. Una forma di esistenza, se non proprio di vita, che è stata più volte capace di spingere sull’acceleratore dell’evoluzione.

Per quanto siano minuscoli ed elusivi il loro effetto è osservabile su scala macroscopica. L’azione dei virus nei mari influisce sul ciclo del carbonio. Gli scienziati la chiamano pompa del carbonio, perché nella dinamica del ciclo il carbonio si muove su e giù nella colonna d’acqua.

Secondo Martha Clokie, microbiologa dell’Università di Leicester, nel Regno Unito, “Viviamo in un mondo guidato dai batteri. Ma questi batteri vengono continuamente, sottilmente manipolati dai virus”.

Nel 2003, Clokie e altri ricercatori dell’Università di Warwick hanno identificato un gene chiave della fotosintesi nei virus che infettano i cianobatteri negli oceani. Come le piante, i cianobatteri utilizzano la fotosintesi per trasformare la luce solare in energia, principalmente in forma di zuccheri, rilasciando ossigeno come sottoprodotto. Si ritiene che i cianobatteri producano un quarto di tutto l’ossigeno immesso nell’atmosfera. Il lavoro del team di Warwick e di altri laboratori negli Stati Uniti e in Israele ha dimostrato come il gene virale permetta alla fotosintesi di continuare dopo che una cellula è stata infettata, anche quando i geni della fotosintesi vengono disattivati dalla cellula stessa. Le cellule infette possono produrre energia dal sole ancora più velocemente delle cellule non infette. I ricercatori hanno stimato che, anche se il numero è altamente incerto, la metà di tutti i batteri possano essere infettati dai virus in un dato momento.

Che i virus si occupino alacremente della produzione di ossigeno potrebbe sembrare una buona notizia, ma non lo è del tutto. Più recentemente è stato scoperto che i virus nei cianobatteri sopprimono i passaggi della fotosintesi che fissano l’anidride carbonica alla materia organica. Questa operazione di pulizia è stimata intorno al 50% di tutta la CO₂ presente nell’atmosfera.

 Se nell’aria la CO₂ contribuisce al cambiamento climatico, in mare combinandosi con l’acqua forma acido carbonico, un acido capace di aggredire le strutture calcaree come i coralli e i gusci dei molluschi. La cattura del carbonio all’interno degli organismi, come avviene per esempio negli alberi, ha vantaggi ben noti. In mare i batteri e altre forme di vita morendo precipitano. In questo modo spostano verso il fondale il carbonio prelevato dalla superficie. 

Secondo osservazioni condotte su virus e batteri terrestri dalla Ohio University e in California, alcuni dei geni dei virus sembrano aiutare i batteri a metabolizzare carboidrati e grassi, mentre altri probabilmente li aiutano a raccogliere i fosfati. Ma quando il batterio hackerato si moltiplica durante la fioritura, allora si sollevano le incognite. In quel caso la fioritura potrebbe essere di cellule zombie, o per lo meno dirottate dal loro compito.

Plancton / © Peter Parks – imagequest3d.com

L’effetto più evidente dell’azione dei virus è stato osservato nel paradosso del plancton. È il nome che gli scienziati hanno dato a un’anomalia per cui vaste colonie di plancton, invece di espandersi e prevalere su altre forme, finiscono per collassare. Anche in mare molti virus possono rimanere a lungo nelle cellule prima che inizino a riprodursi; gli interessi del parassita e della sua vittima possono restare temporaneamente allineati: un virus ha bisogno del suo ospite vivo.

Ma in aree ad alta densità, dove la distanza tra individui è ridotta, i virus attaccano il plancton più facilmente e con più possibilità di decimarlo, tenendo così le popolazioni sotto controllo. È quasi sempre ai virus che si deve la sparizione improvvisa di strane fioriture di alghe e di batteri, spesso nocivi, che diventerebbero problematiche se si moltiplicassero in eccesso.

A questi manipolatori probabilmente dobbiamo la nascita degli eucarioti, dominio cui appartengono gli organismi più evoluti come per esempio le piante, i funghi e gli animali. Secondo la teoria endosimbiontica i nostri mitocondri erano un tempo dei procarioti a vita libera, il loro DNA circolare mostra segni di diverse infezioni virali, che si suppone abbiamo anche originato mutazioni favorevoli. In parole semplici, in un istante remoto della vita un batterio infettò una cellula creando un mitocondrio, uno degli organelli cellulari muniti di DNA proprio, organelli preposti alla produzione di energia, comuni a quasi tutti gli eucarioti.

Ma ci sono evidenze che in questo processo si siano inseriti i virus. I virus sono maestri nel trasferimento di codice genetico per via orizzontale, cioè spostando frammenti del proprio nella cellula ospite. Sembra quindi siano stati i virus a dare l’impulso più rivoluzionario all’evoluzione delle specie.

Ora, dopo Wuhan, ciò che ci preoccupa di più è sapere se e quanto i virus marini possano nuocerci, quanto siano in grado di fare il salto di specie per infettarci, come hanno fatto i coronavirus passando dai pipistrelli a una specie intermedia, specie ancora non identificata con certezza. Per quanto i virus siano capacissimi di infrangere le barriere, il salto di specie sembra più frequente tra mammiferi, come è accaduto con la peste, con il vaiolo, con altri coronavirus e con l’AIDS. Per ora quella dei mammiferi marini e degli umani sembra una storia di infezioni reciproche con epicentro umano. Virus influenzali umani (inclusa la SARS), del morbillo, casi di salmonellosi, di herpes e meningite sono stati frequentemente riscontrati tra cetacei e pinnipedi. Viceversa, si sono verificate infezioni verso gli umani che sono entrati in contatto con i cetacei nei delfinari e nei vari tour che offrono di nuotare insieme ai mammiferi marini.

Anche in mare, probabilmente a causa dei cambiamenti ambientali, che si devono le vere e proprie esplosioni epidemiche tra i mammiferi marini. I cambiamenti climatici e la pesca eccessiva hanno indotto specie acquatiche che ospitano naturalmente i virus in nuove aree, influenzando popolazioni immunologicamente sensibili.

Al contempo gli inquinanti sembrano aver giocato un ruolo chiave nell’abbassamento delle difese immunitarie. Il Phocine morbillivirus, che causa il cimurro delle foche, è un patogeno non trasmissibile all’uomo che colpisce i pinnipedi. La prima esplosione, nel 1988 uccise 18.000 tra foche grigie e foche comuni nell’Atlantico del Nord. Nel 2002, un’epidemia lungo la costa del Mare del Nord ha provocato la morte di 21.700 foche, che si stima siano il 51% della popolazione locale. Il contagio avviene come tra gli umani: per via area.

La preoccupazione più realistica è che i mammiferi marini e il mare, più che produrne di nuovi, possano diventare un serbatoio per i nostri virus. Finora il mare, al di fuori di pochi pericolosi parassiti come l’Anisakis, sembra essersi limitato ad assorbire e a restituirci i solo i nostri patogeni. Nelle zone costiere, soprattutto dove non c’è una gestione accurata delle acque reflue, i virus che possono assalirci sono quelli che potremmo trovare in una latrina o in una comunità di non vaccinati. L’allerta virus in mare è al momento focalizzata soprattutto sugli allevamenti ittici, dove i pesci sono costretti a vivere ammassati. Ma la soluzione sembra essere già stata messa a punto dal mare stesso. Spugne, granchi, ostriche e vongole filtrano i virus meglio di una mascherina professionale. Gli studi in acquario suggeriscono che le spugne siano in grado di filtrare il 98% dei virus in 3 ore, e il 98% in 24. A seguire i granchi, con una abilità di ripulire le acque dai virus del 90% in 24 ore. Poi vongole e ostriche, con rispettivamente una capacità di pulizia del 43% e del 12%, sempre in 24 ore. Questa capacità di filtratura massiva ha potuto svilupparsi in un ambiente tridimensionale, dove i virus, come altri esseri viventi, si muovono in libertà nella colonna d’acqua.

Nel 1998 il Dipartimento di Microbiologia, Ecologia e Scienze Marine dell’Università della Georgia, Stati Uniti, rese noto al mondo che i batteri costituivano la maggioranza della biomassa del pianeta. Agli inizi degli anni 2000 ci si è resi conto che i batteri sono manipolati dai virus i quali, molto probabilmente, costituiscono la più grande varietà e quantità tra le specie nel globo terracqueo. Pensavamo di essere noi, quelli che governavano la Terra. In questi giorni il COVID-19 ci sta dimostrando chi è al comando sul pianeta.

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