Articolo

Enrico Bucci

I funghi che sanno far nevicare

Quando si guarda una carta del tempo, l’attenzione va quasi sempre ai grandi parametri dell’atmosfera: la pressione, la temperatura, l’umidità, i venti, i fronti, i movimenti delle masse d’aria. È il modo più naturale di rappresentare il meteo, e anche il più utile quando si vuole capire se arriverà una perturbazione, da dove entrerà aria fredda o dove si addenseranno le precipitazioni. Dentro questa immagine, però, l’aria tende a comparire come un mezzo quasi omogeneo, attraversato da scambi di calore e da correnti, mentre la sua composizione concreta passa in secondo piano.

L’aria atmosferica, in realtà, è sempre accompagnata da una popolazione mutevole di particelle sospese. Ci sono polveri minerali, sali marini, ceneri, pollini, spore, batteri, frammenti vegetali, residui organici, goccioline minuscole, particelle sollevate dal suolo e materiali prodotti dalle attività umane. Questa componente dispersa non costituisce un dettaglio marginale del quadro atmosferico, perché entra nei processi da cui dipendono la formazione delle nubi, la persistenza delle goccioline e, in molti casi, l’avvio delle precipitazioni. Chi studia l’atmosfera sa bene che il comportamento dell’acqua non dipende soltanto dalla temperatura e dall’umidità, ma anche dal tipo di superfici microscopiche con cui essa entra in contatto.

Da qui nasce un primo spostamento di prospettiva. Una nube non è soltanto vapore che condensa in cielo secondo le grandi leggi della termodinamica e della dinamica dei fluidi; è anche un ambiente in cui l’acqua incontra continuamente corpuscoli sospesi di origine diversa, e reagisce in parte alla loro presenza. Il cielo sopra di noi porta dunque con sé una traccia dei paesaggi che sta attraversando o che ha appena attraversato. Il mare immette particelle saline, i deserti e i terreni secchi liberano polveri, le foreste e i campi rilasciano pollini, spore, detriti vegetali, microbi. Una parte di ciò che sale dal basso entra nel ciclo atmosferico e ne accompagna gli eventi più delicati.

In molti casi questo particolato appare come il risultato di processi diffusi, legati al vento, alla siccità, alla granulometria dei suoli, all’azione delle onde, agli incendi, al traffico, alla frammentazione meccanica dei materiali. Le particelle vengono sollevate, trasportate, mescolate e ridistribuite dall’atmosfera secondo meccanismi fisici ben noti, e una larga parte della loro presenza in aria dipende da questa dinamica generale. Su questo sfondo, la componente biologica potrebbe sembrare poco più che una delle tante sorgenti possibili di particolato.

La questione diventa più interessante quando si osserva che, in certi casi, le particelle di origine biologica non arrivano nell’aria soltanto come detriti passivi o residui trascinati dal caso. Possono essere il prodotto di organismi che costruiscono strutture particolari, rilasciano molecole con proprietà precise, disseminano forme microscopiche capaci di interagire con l’acqua in modo specifico. A quel punto il rapporto fra biosfera e atmosfera cambia aspetto, perché non si tratta più soltanto di materiali viventi entrati accidentalmente nel traffico delle polveri, ma di agenti che potrebbero avere un ruolo nella vita di una nube. Se volessimo formulare la questione in una domanda precisa, potremmo chiederci: che cosa accadrebbe se una parte non trascurabile del particolato atmosferico portasse l’impronta di organismi viventi in grado di determinarne la presenza, le proprietà e anche la qualità del comportamento dell’acqua e del ghiaccio atmosferici?

Facciamo un passo indietro.

Quando una nube si forma, l’acqua che contiene non si comporta sempre in modo intuitivo. Siamo abituati a pensare che sotto 0 °C l’acqua diventi ghiaccio e sopra 0 °C resti liquida, ma nell’atmosfera le cose seguono una strada più sottile. Molte nubi si formano in un intervallo di temperatura compreso fra 0 °C e circa -38 °C, e in questo intervallo possono ospitare, nello stesso momento, goccioline d’acqua ancora liquide e cristalli di ghiaccio. Sono le cosiddette nubi miste, o mixed-phase clouds, una componente molto importante del ciclo idrologico e anche uno degli oggetti di studio più complessi della fisica delle nubi.

Le goccioline che restano liquide sotto zero si chiamano goccioline sopraffuse. Il ghiaccio non compare semplicemente perché la temperatura è scesa sotto la soglia di congelamento: per cominciare a formarsi, ha bisogno che un piccolo gruppo iniziale di molecole d’acqua si disponga in un ordine abbastanza stabile da funzionare come seme del cristallo. Questo primo passaggio è difficile, perché richiede una configurazione molto precisa. Nell’acqua pura, senza aiuti esterni, la formazione spontanea di questo primo nucleo cristallino procede con estrema lentezza a temperature ben superiori a quelle bassissime del congelamento omogeneo: sopra circa -46 °C la nucleazione omogenea è molto lenta, e proprio per questo nell’atmosfera diventano importanti superfici o particelle che facilitino il processo.

Ma quali sono queste particelle sospese, capaci di aiutare le molecole d’acqua a prendere la disposizione geometrica del ghiaccio? Può trattarsi di polveri minerali, di residui organici, di particelle biologiche o di altre superfici microscopiche adatte a guidare questo allineamento iniziale. In loro presenza la nucleazione diventa eterogenea, cioè assistita da un supporto esterno, e l’acqua sopraffusa può gelare con efficienza a temperature molto più alte di quelle richieste per il congelamento spontaneo dell’acqua pura. La disponibilità, la natura chimica, la struttura superficiale e l’abbondanza di queste particelle influenzano quindi la quantità di ghiaccio presente nelle nubi e il modo in cui una nube evolve nel tempo.

Una volta comparsi i primi cristalli, la nube cambia rapidamente comportamento. In una nube mista il vapore acqueo tende a favorire la crescita del ghiaccio rispetto alle goccioline liquide, perché la tensione di vapore di equilibrio sopra il ghiaccio è più bassa di quella sopra l’acqua liquida. Questo significa che, a parità di condizioni, il vapore passa più facilmente verso i cristalli di ghiaccio, che crescono, mentre le goccioline sopraffuse circostanti possono evaporare o venire raccolte dai cristalli stessi. È il principio che sta dietro al cosiddetto processo di Bergeron-Findeisen, uno dei meccanismi classici della precipitazione: il ghiaccio cresce dentro la nube, i cristalli diventano via via più grandi, si aggregano, raccolgono altra acqua durante il percorso e poi cadono. Se durante la discesa attraversano aria che resta fredda fino al suolo, arrivano come neve; se incontrano strati più caldi, fondono e arrivano come pioggia.

Si capisce dunque perché il primo avvio del ghiaccio conti così tanto. Una particella piccolissima, se possiede le proprietà giuste, può decidere il destino di una parte della nube, perché determina quando compare il ghiaccio, in quale quantità, e con quale rapidità la nube comincia a produrre precipitazione. Per questa ragione la fisica dei nuclei di ghiaccio ha un’importanza che va ben oltre le loro dimensioni: dentro quei granelli sospesi si gioca una parte del passaggio che porta dall’acqua dispersa nel cielo alla neve o alla pioggia che raggiungono il suolo.

Quali proprietà deve possedere una particella per favorire la nucleazione del ghiaccio? 

Deve offrire all’acqua una superficie sufficientemente estesa, ordinata e stabile da aiutare molte molecole, nello stesso momento, a disporsi secondo una geometria vicina a quella del cristallo. Una particella efficace aiuta nella fase iniziale perché offre una specie di impalcatura sulla quale l’acqua può organizzarsi più facilmente. Per questo i nucleatori migliori non coincidono con qualunque impurità sospesa nell’aria, ma con superfici che possiedono una regolarità precisa, una certa rigidità e una continuità abbastanza ampia da sostenere l’ordine locale dell’acqua. 

A questo punto possiamo farci un altro paio di domande. Esistono prodotti biologici con caratteristiche di questo tipo? E, se esistono, quale vantaggio potrebbe averne tratto un organismo vivente, tanto da permettere alla selezione naturale di conservarli e perfezionarli? 

La risposta alla prima domanda è sì, e il caso classico è quello di alcuni batteri che vivono sulle superfici vegetali, soprattutto specie e ceppi appartenenti ai generi Pseudomonas, Pantoea ed Erwinia, nei quali l’attività di nucleazione del ghiaccio dipende da una famiglia di proteine specializzate associate alla membrana esterna. Queste proteine sono, per quanto oggi sappiamo, i più efficienti nucleatori biologici del ghiaccio conosciuti, capaci di far gelare con efficienza l’acqua pura a temperature sorprendentemente alte, in alcuni casi vicine a -2 °C.

La proteina più studiata si chiama InaZ, dal nome del gene che la codifica in Pseudomonas syringae. Si tratta di una molecola molto lunga, organizzata in una regione che contribuisce all’ancoraggio sulla membrana della cellula batterica, in una lunga regione centrale ripetitiva che costituisce il cuore funzionale della proteina in grado di conferire ordine all’acqua, e in una regione finale. La parte centrale contiene decine di ripetizioni quasi modulari e, secondo i modelli oggi meglio sostenuti, assume una piega a β-solenoide o β-elica, cioè una struttura allungata e regolare che espone verso l’esterno file ripetute di minuscole strutture adatte a organizzare l’acqua nella struttura tipica del ghiaccio. 

La funzione di queste proteine dipende però anche dal loro comportamento collettivo. Una singola proteina offre una superficie troppo piccola per spiegare l’efficienza osservata nei batteri più attivi. L’attività massima emerge quando molte copie si assemblano sulla membrana della cellula in strutture ordinate, abbastanza estese da fornire all’acqua una piattaforma continua. Proprio per questo gli esperimenti di mutagenesi hanno mostrato che interrompere la continuità dei motivi che sporgono verso l’esterno riduce in modo marcato la capacità di nucleare il ghiaccio: ciò che conta non è soltanto la presenza dei residui giusti, ma la loro disposizione regolare lungo una superficie sufficientemente ampia.

Passiamo ora alla seconda domanda che abbiamo in sospeso: perché una proteina del genere dovrebbe essere stata favorita dalla selezione naturale? 

Nei batteri epifiti, che cioè vivono sulla superficie di foglie, fiori e altri organi vegetali esposti all’aria, il vantaggio è stato chiarito da tempo. Se un batterio riesce a far gelare l’acqua a temperature relativamente miti sottozero, il tessuto vegetale subisce danni da gelo più facilmente, le cellule si lesionano, i compartimenti interni si rompono e diventano disponibili acqua, zuccheri, amminoacidi e altri nutrienti che prima erano racchiusi all’interno del tessuto. Una singola cellula batterica dotata di forte attività nucleante può quindi contribuire a innescare un danno che si estende ben oltre le sue dimensioni, creando condizioni favorevoli alla propria crescita e a quella delle cellule vicine. Già gli studi classici riassunti da Steven Lindow avevano mostrato che la presenza di batteri in grado di nucleare ghiaccio aumenta la suscettibilità al gelo di foglie, fiori e frutti, e che l’abbondanza dei batteri correla con l’entità del danno da freddo nelle piante.

Il vantaggio adattativo appare ancora più persuasivo quando si guarda a come sono regolati i geni che codificano per le proteine in grado di nucleare ghiaccio. In Pseudomonas syringae un’elevata attività di questi geni, e una conseguente elevata produzione delle proteine nucleanti, viene indotta dalla limitazione dei nutrienti e dalle basse temperature, cioè proprio nelle condizioni in cui il batterio ha più da guadagnare dall’apertura di nuove risorse nel tessuto vegetale. Questo dato sperimentale è importante, perché mostra che la proteina non rappresenta una curiosità biochimica priva di contesto, ma una risposta inserita nella fisiologia ecologica del microrganismo: quando l’ambiente diventa povero e freddo, aumenta l’investimento in una funzione che può lesionare la pianta e liberare nutrienti.

La stessa proprietà offre poi un secondo vantaggio nella fase atmosferica del ciclo vitale. I batteri aerodispersi che possiedono proteine nucleanti possono contribuire alla glaciazione delle nubi e, per questa via, accorciare il proprio tempo di permanenza in quota, favorendo la ricaduta con neve o pioggia verso nuovi ambienti abitabili. Le rassegne recenti insistono proprio su questo punto: per microrganismi che vivono all’interfaccia fra piante e atmosfera, la capacità di intervenire sul congelamento dell’acqua può aumentare la probabilità di ritorno al suolo o alle superfici vegetali, collegando la dispersione al ciclo dell’acqua. In questo senso la selezione naturale ha premiato una stessa soluzione per due ragioni diverse ma convergenti: da un lato l’accesso ai nutrienti attraverso il danno da gelo dei tessuti vegetali, dall’altro una migliore riuscita della fase di trasporto atmosferico.

Si capisce così anche perché i geni di questa famiglia siano stati mantenuti in più linee batteriche. L’attività di nucleazione del ghiaccio dei Gammaproteobacteria come Pseudomonas syringae deriva da una famiglia altamente conservata di proteine associate alla membrana, segno di una soluzione antica e sufficientemente vantaggiosa da essere rimasta riconoscibile nel tempo; altre analisi mostrano inoltre che batteri di generi diversi, come Pantoea ed Erwinia, possono rilasciare una proteina nucleante anche in forma associata a vescicole extracellulari, il che allarga ulteriormente il ventaglio delle possibilità ecologiche di questa strategia. Non si tratta dunque di una singola invenzione isolata, ma di una risposta evolutiva che ha trovato più di una nicchia favorevole all’interno del mondo batterico.

Ma se la capacità di intervenire sul congelamento dell’acqua ha già mostrato la propria utilità nei batteri, che cosa si può dire degli organismi più complessi, inseriti in reti ecologiche più ampie e legati in modo più stretto al suolo, all’umidità e alle piante? È una domanda importante perché, salendo di scala biologica, cambia anche il significato della funzione ecologica. Nei batteri epifiti la nucleazione del ghiaccio è funzionale al danno da gelo e alla dispersione atmosferica; in altri organismi potrebbe invece inserirsi in cicli ambientali più estesi, capaci di toccare il microambiente del suolo, la polvere aerodispersa e, per questa via, il comportamento delle nubi. Le rassegne sull’atmosfera mostrano infatti che i nuclei biologici di ghiaccio provenienti da suoli e polveri influenzano formazione delle nubi e precipitazioni, pur con margini ancora ampi di incertezza quantitativa nei modelli.

Fra gli organismi che potrebbero trarre maggior beneficio da controlli del ciclo dell’acqua si collocano certamente i funghi, per ragioni che appartengono alla loro stessa biologia. Gran parte della loro attività si svolge in ambienti in cui il contenuto d’acqua regola decomposizione, crescita del micelio, colonizzazione del terreno, rapporti con le radici, rilascio e assorbimento di nutrienti. I funghi vivono dentro la porosità del suolo, lungo le superfici organiche in decomposizione, nella rizosfera, cioè nella stretta fascia di terreno che circonda le radici, e l’umidità è la condizione che decide la riuscita di quasi ogni processo biologico importante per questi organismi. Per questo l’idea che proprio da loro possa provenire una parte del particolato capace di favorire la nascita del ghiaccio aveva già, in partenza, una sua forte plausibilità ecologica.

In questo contesto è arrivata una scoperta del 2015. Studiando funghi coltivabili isolati dai suoli del Wyoming, Janine Fröhlich-Nowoisky e colleghi mostrarono che funghi attivi nella nucleazione del ghiaccio erano diffusi e abbondanti soprattutto nei suoli con apporti recenti di materia organica decomponibile. L’8% degli isolati fungini esaminati risultò attivo, e tutti gli isolati attivi appartenevano a una sola specie, Mortierella alpina, un fungo filamentoso del suolo che appartiene a un gruppo fra i più frequenti e globalmente distribuiti nelle comunità fungine terrestri, compare regolarmente nei suoli agricoli e nella rizosfera, è noto come saprotrofo capace di crescere su materiale organico in decomposizione e, in diversi contesti, è stato associato anche a effetti favorevoli sulla crescita delle piante. Il risultato aveva quindi un peso particolare, perché puntava a un vero protagonista della vita del suolo.

Quel lavoro aggiungeva anche un indizio decisivo sulla natura del fenomeno. Il fattore nucleante sembrava essere una proteina, come nei batteri, che però poteva essere lavata via facilmente dal micelio fungino. Questo significava che il fungo non la tratteneva rigidamente su di sé: poteva invece rilasciarla nel suolo, dove essa avrebbe potuto accumularsi, aderire alle particelle minerali e forse venire poi rimessa in circolo con la polvere del suolo. La traiettoria dal micelio al terreno, dal terreno al particolato, e dal particolato all’aria era già inscritta in queste osservazioni, anche se mancavano ancora molti dettagli.

Un lavoro appena pubblicato ha provveduto proprio a fornire molti di questi dettagli mancanti e a fornire ulteriori, sorprendenti elementi di conoscenza. I ricercatori hanno mostrato che la proteina nucleante delle Mortierellaceae appartiene a una classe prima non riconosciuta, capace di promuovere la formazione del ghiaccio con alta efficienza a temperature sottozero relativamente elevate. La novità più importante è che queste proteine fungine sono indipendenti dalla membrana cellulare, cioè funzionano senza esservi ancorate. Nei batteri più studiati, come abbiamo visto, la membrana fa parte della macchina nucleante; qui invece la stessa prestazione viene ottenuta da proteine solubili in acqua e notevolmente stabili. La differenza cambia molto, perché una proteina libera può essere rilasciata più facilmente nell’ambiente, persistere nel suolo, associarsi alle particelle fini ed entrare più agevolmente nella fase aerosol.

Ora, studiando la struttura della proteina del fungo, i ricercatori si sono accorti che la sua forma ricordava da vicino quella che abbiamo descritto per i batteri. Il perché è stato evidente quando si sono confrontate le sequenze dei geni fungini con quelle dei batteri. Le analisi filogenetiche mostrano infatti che le proteine fungine sono codificate da geni molto simili al gene batterico InaZ, il che implica con alta probabilità quello che si chiama trasferimento orizzontale di DNA da batteri a un antenato fungino. In altre parole, i funghi non hanno costruito da zero la loro proteina nucleante ghiaccio: hanno incorporato una soluzione comparsa altrove, l’hanno trattenuta e poi adattata a una fisiologia diversa e a un’altra ecologia. 

Nei batteri fitopatogeni, come abbiamo ripetuto più volte, la nucleazione del ghiaccio facilita il danno da gelo delle piante e l’accesso ai nutrienti intracellulari. Nei funghi del suolo la stessa capacità entra in una biologia diversa, legata alla decomposizione della sostanza organica, alla colonizzazione del terreno, alla rizosfera e alla dinamica dell’acqua nella frazione più superficiale del suolo. 

Se un fungo del suolo rilascia una proteina nucleante libera, stabile e attiva, questa proteina può restare nel terreno, associarsi a particelle fini, essere risospesa nell’aria insieme alla polvere e partecipare ai processi di glaciazione delle nubi. Quando il ghiaccio compare nelle nubi, aumenta la probabilità che l’acqua entri nella via che porterà a neve o pioggia; e quando la precipitazione ritorna al suolo, il circuito si richiude proprio nell’ambiente da cui la particella nucleante era partita. Il nuovo lavoro non misura direttamente, in campo, la quota di pioggia attribuibile alle Mortierellaceae, ma rende molto più plausibile e concreto un ciclo nel quale il fungo del suolo contribuisce, attraverso una proteina ereditata dai batteri e rielaborata dalla propria evoluzione, ai passaggi che regolano umidità e precipitazioni su scala locale o regionale.

Il lavoro apre anche un capitolo applicativo, che nasce direttamente dalle proprietà delle nuove proteine. Proprio perché sono solubili e più facili da isolare e maneggiare rispetto alle controparti batteriche legate alla membrana, queste proteine fungine vengono già indicate come promettenti per la crioconservazione di cellule e organi, per la lavorazione degli alimenti e per tecnologie basate sul congelamento controllato, compresa la produzione di neve. 

Ricapitoliamo. In batteri e funghi (almeno) la selezione naturale ha favorito proteine capaci di ordinare l’acqua fino a innescare il ghiaccio, entrare nel particolato atmosferico e influenzare così, a vantaggio degli organismi che le producono, precipitazioni, dispersione e ritorno dell’umidità verso gli ambienti da cui dipendono.

Scopriamo quindi che nel DNA di organismi terrestri molto diversi è iscritta un’informazione che, passando attraverso la forma di una proteina, finisce per agire su uno dei grandi fenomeni del pianeta. Una sequenza genetica viene copiata, tradotta e ripiegata in una struttura tridimensionale di straordinaria precisione; quella struttura espone una superficie regolare, ripetitiva, capace di orientare molecola dopo molecola l’acqua sopraffusa fino a far comparire il primo embrione di ghiaccio. Da lì in poi il processo cresce, si propaga nella nube, entra nella dinamica della precipitazione e si manifesta su una scala immensamente più grande di quella da cui era partito. Il meteo, che siamo abituati a immaginare come il regno esclusivo di masse d’aria, gradienti termici e correnti, mostra così di portare inscritta anche l’azione remota di informazione biologica custodita nei genomi.

Qui la sproporzione fra causa ed effetti è una delle cose più belle da vedere. Da una proteina lunga pochi nanometri, costruita con una sequenza precisa di amminoacidi, si arriva a orientare il comportamento dell’acqua in una nube; da un ordine imposto su scala molecolare si passa a un evento atmosferico che riguarda paesaggi interi. La nostra stessa idea di geoingegneria, con i suoi tentativi grossolani di intervenire sui processi climatici, appare quasi rudimentale accanto a questa finezza: la biologia opera con una precisione infinitamente maggiore, costruendo superfici capaci di guidare l’assetto dell’acqua con un’accuratezza che si gioca nella disposizione degli atomi.

Ed è proprio qui che riaffiora, ancora una volta, la bellezza delle molecole, il tema di questa rubrica. Una proteina nata da una storia evolutiva lunga, talvolta passata perfino da un organismo all’altro attraverso il trasferimento genico, riesce a collegare il suolo alle nubi, l’umidità del terreno alla pioggia, la vita microscopica al cielo sopra le foreste e i campi. In quella superficie ripetitiva che accompagna l’acqua verso il ghiaccio si vede qualcosa che nessuna descrizione vaga della natura riuscirebbe a restituire con la stessa forza: la capacità della materia vivente di costruire, con mezzi minimi e con precisione estrema, effetti vastissimi. Anche stavolta la meraviglia non ha bisogno di essere aggiunta. È già tutta lì, scritta nel DNA e dispiegata nella forma di una proteina.