L’evoluzione? Tutta una questione di energia

Sappiamo benissimo che la questione energetica è fondamentale per il mantenimento e lo sviluppo di una società, e proprio in questi mesi in Italia si assiste a un vivace dibattito tra chi vuole il nucleare e chi le energie rinnovabili. Ebbene, Nick Lane e Willian Martin, due ricercatori rispettivamente dell’University College di Londra e dell’Università di Dusseldorf, sono convinti che la produzione di energia sia anche la chiave per capire cosa ha permesso alla vita di evolversi nelle forme che conosciamo ora.

I due scienziati hanno pubblicato sull’ultimo numero di Nature la loro ipotesi, secondo la quale i batteri non hanno potuto svilupparsi in forme di vita complesse proprio perché non avevano abbastanza energia per farlo. Per arrivare a questa conclusione, Lane e Martin hanno fatto dei semplici calcoli basandosi sulle dimensioni dei genomi e sull’energia prodotta dalle cellule, confrontando quello che accade in un organismo procariote (come i batteri) e un eucariote (come animali, piante e funghi).

I risultati, riportati in questa tabella, mostrano che mediamente un procariote è in grado di sviluppare una potenza di 0,03 femtoWatt per ognuno dei suoi geni; al contrario, una cellula eucariote raggiunge in media 57,15 femtoWatt. Osservando queste statistiche, si vede anche che gli eucarioti hanno dimensioni maggiori, possiedono genomi più grandi e un numero di geni molto più elevato. Da dove traggono allora tutta questa energia?

A rendere possibile questo incredibile rifornimento di energia sono i mitocondri, piccoli organelli presenti solo negli eucarioti che si sono specializzati nella sintesi di ATP, la moneta energetica delle cellule. I macchinari molecolari utilizzati dalle cellule per “respirare”, che convertono l’ossigeno e i nutrienti in ATP, si trovano sulla loro membrana, ripiegata molte volte su se stessa al fine di massimizzare l’efficienza. E’ grazie ai mitocondri che gli eucarioti hanno potuto evolversi, differenziandosi nell’infinità di specie viventi che possiamo ammirare oggi. Sintetizzare le proteine costa alla cellula circa il 75% dell’energia che produce, e se non se ne ha a sufficienza è impossibile “mantenere” anche solo pochi geni in più: ecco perché i procarioti possono a malapena arrivare ai seimila geni, mentre gli eucarioti se ne possono permettere fino a 25mila. Inoltre, anche la semplice replicazione del DNA, pur costando meno (2%) è pur sempre una spesa: i poveri batteri riescono a fatica a mantenere genomi lunghi 6 milioni di paia di basi, mentre i più evoluti eucarioti se la cavano egregiamente persino con 11 miliardi di paia di basi.

Dovendo ridurre al minimo il patrimonio genetico da replicare, i procarioti hanno dei genomi estremamente compatti: in un milione di paia di basi di DNA, i batteri ci fanno stare ben 1000 geni, mentre gli eucarioti ne hanno appena 12. Hanno così tanta energia disponibile che mantenere tutto quel “DNA spazzatura” non è un gran sacrificio: anzi, proprio da lì potrebbe nascere qualche nuovo gene utile per far fare alla cellula un salto di qualità. Avere più energia a disposizione consente infatti alla cellula di fare esperimenti, inventandosi nuovi geni e nuove soluzioni molecolari per vincere la lotta per la sopravvivenza.

In quattro miliardi di anni di evoluzione, i procarioti sono rimasti più o meno dove li avevamo lasciati: senza un nucleo, senza organelli specializzati nella produzione di energia e soprattutto senza essere mai stati in grado di diventare pluricellulari. Secondo una recente teoria, proprio quattro miliardi di anni fa avvenne l’evento che permise a un semplice procariote di diventare eucariote: quella fortunata cellula accolse dentro di sé un altro piccolo batterio, e invece di mangiarselo ebbe la brillante idea di addomesticarlo, sfruttandolo per i suoi scopi. Quel piccolo batterio diventò il primo mitocondrio, la centrale energetica che consentì l’enorme salto evolutivo delle forme di vita complessa.

Lane N, Martin W “The energetics of genome complexity” Nature 2010, 467: 929-934

8 thoughts on “L’evoluzione? Tutta una questione di energia

  1. Molto interessante, soprattutto l’ultima parte. Peccato che sulla teoria di Cotton e McInerney, per noi comuni mortali, si possa leggere solo l’abstract.

    Volevo anche fare una riflessione sull’efficienza energetica dei procarioti vs. eucarioti, nonostante le maggiori quantità di energia in gioco per questi ultimi, sembrerebbe che i procarioti riescano a fornire maggiori quantità di energia in funzione della loro massa, in media circa il triplo di quelli più evoluti. Quasi a dire che la semplicità, a volte, paga!🙂

  2. Già i mitocondri sono decisamente una bella centrale energetica “pulita” (ad eredità materna…) gratuita che gli eucarioti hanno a disposizione. Però sarebbe curioso fare un confronto energetico all’interno degli eucarioti, e in particolare tra animali e piante… ci sono piante che sono poliploidi e pertanto la quantità di genoma a disposizione è decisamente “in abbondanza” (basti pensare anche al paradosso del valore C). Quindi c’è corrispondenza nella produzione energetica?se vi è corrispondenza allora significa che le piante sono più complesse degli animali? è forse la loro natura sessile a renderle organismi in grado di massimizzare l’uso dell’energia prodotta dai mitocondri?

    • Le tue domande sono interessantissime, ma al momento non ho risposte altrettanto intelligenti da darti. I numeri che vedi in tabella si riferiscono a procarioti ed eucarioti, ma anche in questo secondo caso le specie in questione sono abbastanza semplici (alghe e protozoi); nell’articolo non l’ho detto per non complicare troppo il discorso. Questo significa che al momento mancano (bisognerebbe calcolarli) i dati relativi a eucarioti più complessi come animali e piante, e senza questi dati non posso dire nulla riguardo al confronto tra questi eucarioti “superiori”. Ci sono molte variabili in gioco, non solo la ploidia, ma anche ad esempio la densità genica e le dimensioni del genoma aploide: si parla di forme di vita complessa, e la questione è – appunto – complessa.🙂

  3. Cari colleghi ed amici A mio avviso facendo una semplicistica contabilita relativa alla efficienza energetica dei Procarioti rispetto agli Eucarioti (vedi : http://blogs.discovermagazine.com/notrocketscience/2010/09/13/tree-or-ring-the-origin-of-complex-cells/) , ci si dimentica che il DNA e’ un contenitore di Informazione. Dovrebbe essere evidente che la informazione genetica non e’ esprimibile in termini di potenza energetica. Infatti come ha notato giustamente “GIFH” “nonostante le maggiori quantità di energia in gioco per questi gli Eucarioti , (…di fatto…) i procarioti riescano a fornire maggiori quantità di energia in funzione della loro massa, in media circa il triplo di quelli più evoluti. Quasi a dire che la (… informazione… ) a volte paga. Paolo Manzelli
    LRE@UNIFI.IT ; http://www.edscuola.it/lre.html

  4. Caro Paolo, hai ragione: il DNA è un contenitore di informazione. Tuttavia, non è una informazione virtuale che può essere espansa all’infinito senza nessun costo: infatti il DNA è prima di tutto una molecola chimica, che per essere trascritta e duplicata ha bisogno di energia. Potendo disporre di maggiore energia, gli eucarioti possono concedersi il lusso di creare del materiale genetico aggiuntivo inizialmente inutile, che però col tempo potrebbe dar vita a qualche nuova funzione, con il risultato di migliorare la qualità dell’informazione. I procarioti, come spiegano gli autori nell’articolo, si trovano in una buca evolutiva da cui non possono sfuggire perché non hanno l’energia necessaria per aumentare i loro genomi e creare nuove funzioni, nuova informazione. I batteri non possono aggiungere al loro genoma un pezzo di DNA inutile, sperando che un giorno quel pezzo si trasformerà in una nuova funzione, perché non possono aspettare che esso “maturi”: portarsi dietro del materiale genetico senza un’utilità immediata non ha senso per loro, gli costa troppo e non gli dà nessun vantaggio.

  5. Realta’-Informazione-Biovitalismo
    ;www.egocreanet.it ; http://www.wbabin.net

    Biovitalismo (1) e’ una concezione innovativa proposta recentemente dalle ricerche di EGOCREANET e collaboratori la quale si propone di superare le logiche riduttive della scienza “meccanica” basate in primo luogo sulla incoerente separazione tra soggetto ed oggetto. Infatti tale arbitrario dualismo assurdamente esclude il soggetto dall’ essere considerato partecipe di quanto e’ oggettivamente reale. Accettando tale separazione si ricade nella antiquata concettualita’ gia’ espressa da George Berkley (1700) il quale dicendo «Esse est percipi» espresse la convinzione che gli alberi cadono silenziosamente nel bosco perche’ senza orecchi umani che ascoltano, non sarebbe possibile alcuna informazione sul rumore che l’ albero fa’ cadendo.
    Da un breve escursus storico delle relazioni tra realta’ ed informazione sappiamo che per la meccanica classica la Informazione e solo una mera questione soggettiva, fatta eccezione dei dati numerici che sono i risultati delle misure su scala macroscopica. Diversamente la Meccanica Quantistica (MQ) , modificando il determinismo classico, con la introduzione della “funzione d’onda” o “onda di probabilità”, ha permesso la acquisizione di una concezione piu realistica della informazione come probabilita di conoscenza . Infatti come conseguenza del dualismo Onda/Particella , le particelle quantiche interferiscono anche come onde che vanno incontro a probabili fenomeni di diffrazione costruttiva o distruttiva. La informazione assume un carattere probabilistico in quanto e’ trasportata e distribuita dalla funzione d’onda la cui risoluzione indica la probabilita’ di rilevazione delle particelle quantiche, le quali pertanto sono intimamente correlate al concetto di informazione, anziche a quello della precisione classicadei dati delle misurazioni .Con l’ evento della MQ si sviluppa la Quantum Information Science (QIS) che che e stata la base teorica della elaborazione della informazione nei computers , trattandola in termini di quantita minime informazionali (BIT = 0/1) associati alle onde/particelle quantiche. La MQ comunque conduce a vari “paradossi logici” (2) ed inoltre contiene la limitazione che la elaborazione dei quanti di informazione permettono solo la probabilita’ di conoscere il passato , non potendo essere trasferiti a velocita maggiori della luce il trasferimento di quanti e bit associati puo fae riferimento solo a quanto e gia accaduto. Pertanto la produzione di nuove informazioni e’ da considerarsi soltanto virtuale come il pensiero, l’ unico che puo’ contenere l’ immaginario scientifico capace di dare nuove interpretazioni che risolvano le difficolta’ intepretative della scienza contemporanea.
    Coscienti di cio’ abbiamo iniziato ad elaborare una logica innovativa denominata Bio-Vitalismo, finalizzata alla ricerca di nuove interrelazioni tra la Materia (M), Energia (E), ed informazione (I) al fine di ottenere un miglio isultato delle comprensione della evoluzione della vita.
    rappresenta un paradigma innovativo che unifica in un unico modello cognitivo i tre aspetti diversi e complementari di una unica realta’ energetica, inoltre si propone di capire come la informazione come forma energetica non possa essere esclusa da ogni aspetto della scienza, infatti persino la attrazione gravitazionale necessita presupporre che esista un’ interscambio di informazione tra le masse coinvolte.
    Pertanto la comunicazione di informazione che viene descritta nel quadro delle nozioni di “spazio e tempo ” dove queste sono costruzioni dell’intelletto e quindi forme di pura informazione, che possono combinarsi determinando varie possibilita di interrelazione tra lo spazio ed il tempo tali che possano risolvere una ampia comprensione di come la realta’ oggettiva sia sempre descrivibile come composizione delle tre varie forme della energia. —>
    Infine ritengo importante sottolineare come , come la realta’ concepita come entita distinte ed interagenti di Materia ed Energia , si correlino intimamente co la informazione nel caso dell’ Entanglement Quantistico (6).
    Infatti nel caso dell’ Entanglement non solo le onde associate si possono compenetrare e dare fenomeni di interferenza ma anche le particele quantiche possono compenetrarsi.
    Nell’ Entanglement infatti la nozione classica del localismo che corrisponde alla esistenza di oggetti discreti separati nello spazio e nel tempo è messa profondamente in discussione, determinando la necessita di una ristrutturazione del cronotopo spazio-tempo per dare possibilita’ di concepire eventi che comportano la correlazione simultanea ed il sincronismo di eventi non casuali che avvengono in natura. Paolo Manzelli 21/NOV/10 , LRE@UNIFI.IT, http://www.edscuola.it/lre.html

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