Guarda: Le recenti scoperte microbiche stanno cambiando la nostra visione sulla vita sulla Terra.

Gumdrop con un orecchino.

Questo è quello che mi viene in mente quando guardo le foto di Sebastian Hess di una specie di creatura monocellulare, grassoccia e violenta, che ha raccolto da uno stagno ricco di muschio di sfagni nel sud della Germania. La cellula amebozoa, che cambia forma, insegue le cellule algali da attaccare, arriccia la sua lunga fila di flagelli in un anello simile a un orecchino. Tenendo fermo l'anello, la cellula si muove in qualche modo senza scuotersi, frustare o ondeggiare. "Sembra praticamente piccoli dischi volanti", dice Hess.

Hess ha raccolto per la prima volta queste creature, senza nome di specie e con una forma di locomozione sconcertante, nel 2010 e si è chiesto per anni come funzionasse la locomozione. Hess ha cercato e curato queste meraviglie monocellulari fin da quando era un adolescente con un microzoo sul davanzale della finestra. Da adulto, ora presso la Technical University of Darmstadt in Germania, si specializza nel gruppo microscopico che il suo zoo presentava: i protisti.

Questo grande e vario gruppo di cellule unicellulari è tra i parenti microbici più vicini alla vita pluricellulare e avvolge il suo materiale genetico all'interno di un nucleo cellulare proprio come fanno gli animali, le piante e i funghi. Gli alberi della vita della scuola per gran parte del XX secolo e talvolta anche successivamente hanno spesso relegato il regno dei protisti in un ramo inferiore sotto la gloriosa corona dei regni principalmente pluricellulari. Gli biologi ora pensano un po' diversamente, e più in grande rispetto ai meri regni.

Gli schemi più moderni di oggi presentano almeno due enormi cerchi di creature microbiche, chiamati i domini dei batteri e degli archaea. Un terzo cerchio, gli eucarioti, raduna i protisti e i regni orgogliosamente situati in cima all'albero: gli animali, le piante e i funghi. Un altro raduno potrebbe essere imminente, poiché l'intero dominio degli eucarioti, compresi i protisti e le persone che li classificano, sembra essere un ramo degli archaea.

Per quanto riguarda i dischi volanti, Hess e i suoi colleghi hanno lavorato a intermittenza per quasi 10 anni per capire come una cellula si muova in modo così strano. Si tratta di una forma di locomozione mai trovata prima in un essere vivente, afferma Hess. Questo nuoto toroidale o "ciambella" ha ispirato Hess e i suoi colleghi nel 2019 a inserire la nuova specie nel proprio genere - Idionectes, che significa approssimativamente "nuotatore peculiare".

Nei prossimi anni, vi forniremo ulteriori dettagli su come nuotare come una ciambella, ma la specie Idionectes vortex è un ottimo esempio di come la biologia ad alta tecnologia e l'esplorazione tradizionale sul campo stiano creando una fioritura di scoperte per un gruppo carismatico di piccole forme di vita sulla Terra. Questi organismi unicellulari sono tutto tranne che puntini noiosi. Inoltre, stanno aggiungendo dei rami e dei rami inaspettati all'albero evolutivo della vita.

Per citare solo alcuni esempi dei nuovi protisti del 2023, una specie nominata a giugno ha l'equivalente di una testa rotante composta da una cellula. In questa cellula di forma globale scoperta all'interno dello stomaco di un termite sudamericano, la parte superiore ruota costantemente senza strapparsi o strangolarsi. I scopritori hanno scelto un nome a tema demoniaco, Daimonympha friedkini, ispirato alla testa rotante del bambino posseduto dal demonio nel film del 1973 "L'esorcista", diretto da William Friedkin.

Altre nuove specie appartengono ai coccolitofori dall'aspetto strano, ma ecologicamente importanti. Questo ramo nel suo complesso può svolgere fino al 10 percento della fotosintesi degli oceani, trasformando la luce solare in sostanze che altre creature mangiano. Ogni cellula di coccolitoforo si copre di ciò che sembrano piccoli coprihubcap. Tra le caratteristiche distintive del nuovamente nominato Calciopappus curvus ci sono un paio di protuberanze a forma di pollice su alcuni di quei coprihubcap.

Ricercatori in Cina hanno nominato una specie particolarmente piccola nel genere Euplotes: E. mazeii. Le cellule di Euplotes sviluppano più serie di sottili proiezioni chiamate cirri che sembrano gambe disegnate con un bastoncino. Anche senza cervello o sistema nervoso, i diversi tipi di Euplotes sono in grado di muovere le gambe con sufficiente coordinazione da camminare su una superficie sott'acqua. Gli ingegneri che cercano ispirazione per robot di microscala stanno analizzando questi movimenti.

Anche i protisti conosciuti da tempo hanno un fascino come forma di microwildlife. Come i grandi felini e gli orsi polari, molti di questi microfauna carismatici meritano i loro propri documentari naturalistici. Hess ha contribuito a filmare uno dei suoi protisti preferiti di lunga data, una specie di Lacrymaria. Questa cellula dal leggero fascino e a forma di lacrima insegue la preda sparando un collo di cigno straordinariamente lungo che può allungarsi per più di sette volte la lunghezza originale dell'organismo. Il collo, con una protuberanza simile a una testa alla fine, gira qua e là con agilità come un serpente, finché uno scatto improvviso cattura la cena.

"Stupefacente" è la parola di Hess per i protisti. "Si comportano veramente come interi organismi. Ma sono solo cellule."

O prendiamo in considerazione cinque nuove specie di piccole cellule voraci chiamate nibblerids. Solo di circa 3 micrometri di diametro nella loro forma affamata a forma di falce, questi protisti mordono (in un certo senso) le loro vittime tipicamente più grandi chiudendosi su di esse con una particolare scanalatura del corpo protetto da piccoli denti chiamati dentelli.

I nibbleridi e i loro parenti più stretti, chiamati nebulidi, rappresentano un lignaggio così distinto e antico che meritano un proprio grande ramo nell'albero genealogico degli eucarioti, secondo quanto riportato lo scorso anno dal biologo evoluzionista Patrick Keeling dell'Università della Columbia Britannica a Vancouver e colleghi. Keeling parla con passione dell'importanza dei predatori come qualcosa di più divertente da osservare nella natura. "Se prendessi tutti i leoni e i ghepardi e li uccidessi tutti", dice, "tutto l'ecosistema andrebbe fuori controllo". Questo è probabilmente il caso anche per i protisti. I protisti di oggi sono divisi in supergruppi, che sono rami più grandi dei classici regni degli eucarioti e forniscono una visione ampia e profonda dell'evoluzione. Il supergruppo Amorphea, ad esempio, include tutti gli animali e i funghi oltre a alcuni parenti a singola cellula, tra cui molte amebe. Il nuovo supergruppo chiamato nibbleridi e nebulidi, Provora, fa riferimento a "protisti voraci divoratori", hanno scritto Keeling e i suoi colleghi. Idionectes, nonostante il suo viaggio sereno simile a un UFO, è un feroce predatore. Quando trova alghe da nutrire, la navicella scivolante diventa un'ameba aggressiva. Dissolve un buco nella parete cellulare delle alghe ma non si nutre come una tigre, strappando la carne dall'esterno dell'uccisione. Invece, Idionectes scivola attraverso il buco nella parete, riversandosi nella cellula preda condannata. Poi questo cacciatore divora la sua preda dall'interno. Guardare i protisti potrebbe essere spaventoso, se fossero più grandi. O se gli esseri umani fossero più piccoli. "Passiamo così tanto tempo cercando di immaginare mondi alieni", dice Keeling. "Ce n'è uno proprio sotto il nostro naso, più strano di qualsiasi cosa possiamo pensare". Non sta recitando. Considera il modo in cui le particelle dei corpi dei protisti sperimentano l'acqua, ad esempio. È radicalmente diverso dal modo in cui si muovono i giganti e i nuotatori macroscopici come gli umani. Le singole cellule sono così piccole che le proprietà dell'acqua semplice le spingono lungo percorsi evolutivi a malapena riconoscibili per noi. Immergiti in una piscina e, "se non stai nuotando, vai avanti per un bel po' di tempo finché non ti fermi, giusto?" dice Keeling. Una singola cellula, però, è così piccola che anche la viscosità dell'acqua fa sì che il piccolo nuotatore si muova a malapena (SN: 6/19/09). Se smette di nuotare, semplicemente... si ferma. "È più simile a essere in sciroppo di mais", dice Keeling. Ma, d'altra parte, i movimenti che sono inutili per persone a grandezza naturale o per capesante potrebbero spingere un nuotatore minuscolo. Nel 1952, il fisico Geoffrey Ingram Taylor teorizzò che un nuotatore microbico a forma di ciambella potrebbe muoversi con una sorta di rotazione interna. (L'idea viene attribuita a un affascinante discorso del 1976 del premio Nobel statunitense Edward Mills Purcell, ma Taylor è venuto prima di Purcell.) Quella rotazione è fondamentalmente come si è scoperto che la cellula a forma di anello di Idionectes nuota, ha annunciato Hess e colleghi quasi 70 anni dopo la suggerimento di Taylor. Il lungo flagello a forma di filo della cellula si arrotola nella cosa più magra e più magra mai descritta come una ciambella. È molto più "foro" che "impasto", ma si avvicina comunque all'idea di Taylor. In un diagramma sviluppato da Taylor, i lati di una ciambella si alzano attraverso il buco, oltre il bordo e si avvolgono dall'altro lato per un altro scivolo verso il centro. All'inizio, Hess poteva vedere che la sua cellula a forma di caramella si muoveva chiaramente, ma guardando la magra forma a ciambella del flagello con la microscopia semplice, "non si può vedere alcun movimento", dice. Ma quando lui e i colleghi crearono tempeste di particelle di lattice sott'acqua in un fluido sciropposo (una tecnica che ha dato ai ricercatori una svolta otto anni dopo gli sforzi), Hess vide movimenti caratteristici delle particelle che mostravano che il flagello stava ruotando. Il protista Idionectes vortice è stato scoperto nel 2010, ma solo di recente gli scienziati hanno dimostrato che si sposta tramite nuoto toroidale. Il suo flagello si arrotola come una ciambella. Il flagello e la parte a forma di cupola ruotano entrambi (frecce viola). Vittorio Boscaro, nel laboratorio di Keeling presso l'Università della Columbia Britannica, ha un altro mistero della rotazione. "Non abbiamo idea di perché lo facciano", dice. Siamo in una videochiamata e sta condividendo il suo schermo per mostrare la nuova specie di protisti con una testa rotante, D. friedkini. Nei grigi spettrali del video della microscopia ottica, una cellula massiccia nuota mentre la sua parte superiore, come un grande copricapo nodoso polare, ruota costantemente. È ipnotizzante.Il documento del 2023 che annuncia la scoperta di D. friedkini definisce le strutture a ruota rotante "famigeratamente rare" nella biologia. Le batterie possono ruotare liberamente i loro flagelli senza spezzarsi, ma le cellule con più strutture integrate di solito non ci riescono. Tuttavia, questo non è stato il primo trottola tra le cellule complesse. Analizzando il materiale genetico, i ricercatori hanno individuato un albero genealogico probabile di parenti vicini e lontani. Stranamente, questa creatura non sembra essere strettamente imparentata con un'altra specie con una testa rotante informalmente chiamata rubberneckia, di cui i ricercatori hanno scritto sporadicamente dal 1974. Studiare i protisti significa vivere nel bizzarro. Che la nuova specie provenisse dall'intestino di un termite non era così importante, mi dice gentilmente Boscaro, perché i protistologi da più di un secolo sezionano termiti alla ricerca di nuove specie di protisti rotanti (sia rubberneckia che D. friedkini appartengono a un gruppo chiamato Parabasalia). I protisti sono ovunque. Kiran More, allora uno studente universitario alla Dalhousie University di Halifax, Canada, ne ha raccolti un po' quando ha aggiunto un po' di esplorazione di specie a un viaggio in famiglia nel 2016. Mentre l'estate si stava esaurendo prima dell'ultimo anno di More, la sua famiglia è andata in macchina attraverso la campagna orientale della Nuova Scozia. Si sono fermati in un villaggio sull'isola di Cape Breton per ammirare una replica del celebre schooner degli anni '20 raffigurato sulle monete canadesi, e More ha recuperato della sabbia sulla spiaggia. Sono bastati solo pochi minuti; aveva con sé dei tubi per il campionamento, giusto nel caso. "L'ho semplicemente portata da una stanza d'albergo all'altra e l'ho messa nel minifrigo, quando c'era un minifrigo", dice. Quando è tornato a scuola, il fango è diventato parte del suo progetto di laurea per cercare specie sconosciute di amebe marine chiamate vampyrellids. Il nome può evocare incubi, ma anche due delle scoperte feroci di More sembrano meno mascella-e-artiglia e più letto-e-prima-colla. Assomigliano a un uovo fritto. Anche se i piani corporei dei vampyrellid variano, in questo caso, il "bianco" dell'uovo è la struttura che rompe la copertura esterna della preda per raccogliere l'interno nutriente. Osservare una piccola cellula algale catturata dal vampyrellid rivela il predatore che preme contro la cellula algale fino a quando la vittima smette di muoversi, svuotando l'interno morente della cellula in cinque o dieci minuti. Il singolo campione di sabbia raccolto da More ha fornito almeno sette tipi visibilmente diversi di amebe vampyrellid. Placopus melkoniani e P. pusillus, vampyrellids a forma di uovo fritto ora chiamati nuove specie, cacciano rotolando in avanti. Le loro membrane esterne si muovono "come un nastro trasportatore", dice More, o come le cinghie di un carro armato. "Puoi anche vedere che tutto il contenuto della loro cellula ruota all'interno mentre la membrana esterna ruota, il che è quasi bellissimo", dice. Nel 2021, lo stesso campione di vacanza ha fornito una terza nuova specie. More, allora uno studente di dottorato in sistematica ed evoluzione all'Università di Alberta a Edmonton, Canada, e colleghi hanno chiamato quella nuova specie Sericomyxa perlucida, che significa "melma serica trasparente". Assomiglia a un volano da badminton investito da un'auto ma con pennacchi estremamente delicati. E non era solo una nuova specie in un nuovo genere, ma rappresentava anche una intera nuova famiglia. Un ornitologo o un mammalogista avrebbe fatto salti di gioia per i risultati. Ma nell'eccitante frontiera della scoperta dei protisti, "sono rimasto deluso", dice More. "Ero così determinato che avrei trovato una linea ambientale in cui nessuno avrebbe mai visto nulla prima". Quando il botanico svedese Carl Linnaeus, fondatore nel XVIII secolo del sistema di denominazione biologica della scienza occidentale, ha studiato gli organismi monocellulari, era limitato a osservare. Ha dato un nome a relativamente pochi organismi monocellulari e ha inclusone la maggior parte in un genere che ha chiamato Chaos. Gli biologi odierni hanno a disposizione molti più strumenti ad alta tecnologia, ma l'evoluzione della vita sulla Terra sembra ancora caotica. Una cellula di un tipo di protista chiamato criptomone ladro ha sette gruppi separati di geni, secondo una ricerca riportata quest'anno. Tre dei gruppi extra provengono da piccoli organi derivate da cellule libere del passato, due da batteri simbionti diventati apparentemente essenziali e un altro da un virus che viaggiava su uno dei batteri. "Siamo un'aberrazione", dice Maureen O'Malley, filosofa della microbiologia all'Università di Sydney, come un terrestre multicellulare che parla con un altro. Nella visione moderna della vita, i microorganismi unicellulari - tra cui i protisti - dominano il pianeta. Le grandi forme di vita multicellulari ora sembrano essere le rarità, gli eccezioni. Un confronto del 2018 stima che i protisti della Terra rappresentino il doppio delle gigatoni di carbonio rispetto a tutti gli animali messi insieme. Aggiungendo gli altri microbi, insieme contengono 40 volte la biomassa.

Earth was entirely a microbe’s world for some 2.5 billion years or more, the majority of life’s history, O’Malley points out. We big multicellulars evolved on the backs of microbe innovations. Just a few examples: The oxygenated atmosphere came from cyanobacteria photosynthesizing 2.7 billion years ago. Even today an estimated half of the oxygen we breathe comes from microbial sources, not from plants. And plants’ ability to generate oxygen came from engulfing the microbial technology we know as chloroplasts.

Termites “eat” wood thanks to the protists packed into their guts. Tomato plants grow better with more of the predatory protists in the soil around their roots. Bobtail squid get the glow in their light organs from engulfed bacteria. Tsetse flies can’t sustain milk-feeding for their bizarre live-birthed young without specialized live-in bacteria to provide B vitamins. The list goes on and on for influential microbes. They shaped the world and keep us alive in it.

O’Malley sums up microbes as “the dominant life-forms not only in today’s world, but also in all past eras of the living Earth.” For bird watchers, wildflower lovers and nature enthusiasts of all stripes, truly seeing these invisibly small creatures for the first time can be like realizing dark matter exists. And not only that it exists, but that it makes up so much more of the universe than the supposed ordinary stuff.

New discoveries of protists and other microbial species and their ways of living are creating a very different view and appreciation for life in all its forms. With a few quirky exceptions — including us — to be an earthling is to be microscopic.

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