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Vivere di radiazioni.

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Alzi la mano chi non conosce Godzilla. Anche chi non ama il genere non potrà non conoscere il mostro cinematografico per antonomasia, padre di tutti i mostri giganti spesso identificati con il termine giapponese “kaiju” (letteralmente “strana creatura”).

Il gigantesco lucertolone è tornato recentemente nelle sale con una nuova produzione americana per celebrare il 60° anniversario della sua prima apparizione al largo delle coste giapponesi.

Un fotogramma tratto dal nuovo Godzilla del 2014.

Un fotogramma tratto dal nuovo Godzilla del 2014.

Per chi non lo sapesse, Godzilla non è solo un mostro distruttore di città. Questo bestione simile ad un dinosauro, infatti, nasce anche come critica all’utilizzo dell’energia nucleare ed delle armi atomiche. Con le proprie dimensioni e la propria forza distuttrice Godzilla rappresenta l’inarrestabile potenza dell’energia nucleare.

Capisco possa difficile vedere allegorie guardando un dinosauro di gomma abbattere grattacieli di cartapesta, ma pensate che il primo film uscì nelle sale nel 1954, solo 9 anni dopo le esplosioni atomiche che cancellarono Hiroshima e Nagasaki dalle mappe giapponesi nell’agosto del 1945.

Il tema nucleare è il leitmotiv di tutti i film di Godzilla. Nel primo film del 1954, ad esempio, il mostro viene risvegliato da un’esplosione atomica ed in seguito potenziato dalle radiazioni che lo rendono praticamente invincibile.

Il primo Godzilla del 1954. Un pupazzone circondato da modellini di mezzi militari (credits: Wikipedia)

Nell’immaginario collettivo le radiazioni liberate nell’ambiente in seguito a disastri nucleari sono sempre (e giustamente) assocciate a morte, devastazione e terribili mutazioni genetiche nei sopravvissuti. I danni provocati alla doppia elica del DNA dalle radiazioni ionizzanti possono portare allo sviluppo di tumori e gravi malattie e deformazioni nei neonati. Ovviamente non stiamo parlando di lucertole alte 50 metri, ma le zone altamente radioattive rimangono tra i luoghi più pericolosi ed inospitali del pianeta.

Nonostante queste zone siano praticamente inabitabili dall’uomo, esiste un discreto numero di organismi in grado di sopravvivere in ambienti saturi di radiazioni ionizzanti. Piante, vermi, insetti e batteri, per esempio, hanno stupito tutti dimostrando di poter sopravvivere ed adattarsi alle zone circostanti le rovine del reattore di Chernobyl.

Tra gli organismi radioresistenti spicca su tutti Thermococcus gammatolerans, un archea (organismi unicellulari simili ai batteri) in grado di sopportare un livello di raggi gamma fino a 30.000 grays (il gray è l’unita di misura per l’assorbimento di radiazioni ionizzanti, la dose letale per un essere umano oscilla tra i 4 e i 10 grays).

Thermococcus gammatolerans, questo organismo possiede la miglior resistenza alle radiazioni ionizzanti mai osservata in Natura (credits: Wikipedia)

Ma Thermococcus e gli altri organismi radioresistenti possono vivere in mezzo alle radiazioni, non nutrirsi di radiazioni come il ben più grosso lucertolone citato sopra.

La domanda quindi è: esistono organismi in grado di “mangiare” radiazioni?

Anche in questo caso la Natura non smette mai di stupirci ed effettivamente possiamo trovare degli esseri viventi che traggono la propria energia dalle radiazioni ionizzanti.

Nelle profondità delle miniere d’oro del Sudafrica si possono infatti trovare batteri in grado di sfruttare il decadimento dell’uranio presente nelle rocce. Gli atomi di uranio, decadendo, inducono la radiolisi dell’acqua le cui molecole si spezzano liberando idrogeno. I batteri che vivono in queste miniere sono in grado di combinare l’idrogeno derivato dalla radiolisi con i solfati delle rocce circostanti per produrre energia sufficiente a sostenere la vita in completa assenza di sole (ho già trattato l’argomento in QUESTO post).

Tutto sommato, però, questi batteri vivono dell’idrogeno liberato dalle radiazioni e non direttamente di radiazioni.

Per incontrare organismi che traggono direttamente la propria energia metabolica dalle radiazioni ionizzanti dobbiamo abbandonare le grotte del Sudafrica per spostarci in un ambiente ancora più inospitale, situato nell’Ucraina settentrionale: la centrale nucleare di Chernobyl,dove già abbiamo incontrato gli organismi radioresistenti sopracitati.

Agli inizi degli anni ’90, nelle lande che circondano l’impianto sono state scoperte tre specie differenti di funghi radiotrofici, ovvero in grado di nutrirsi direttamente di radiazioni (QUI un breve articolo su Nature).

Gli organismi appartenenti al regno dei funghi sono noti per nutrirsi praticamente di qualsiasi cosa, dall’amianto al carburante degli aerei. Tra varie prelibatezze nel menù dei funghi troviamo facilmente anche materiali radioattivi. I funghi scoperti a Chernobyl, però, sono unici in quanto non si nutrono di scorie radioattive ma delle radiazioni stesse.

Questi funghi appaiono come una muffa nera. Il colore scuro è dato dalla massiccia quantità di melanina presente all’interno delle loro cellule. La melanina è un pigmento fondamentale per proteggersi dalle radiazioni solari ed è altamente diffuso tra gli organismi viventi (basti pensare alla nostra abbronzatura, ho approfondito l’argomento in QUESTO post).

Cryptococcus neoformas, una delle specie di funghi in grado di nutrirsi di radiazioni ionizzanti scoperte tra le rovine di Chernobyl. (credits: Wikipedia)

La melanina dei funghi di Cernobyl, però, è particolare in quanto non solo protegge il fungo dalle radiazioni ma permette all’organismo di utilizzare gli stessi raggi gamma come fonte di energia. Il meccanismo molecolare non è ancora del tutto noto, ma si pensa che la melanina di questi funghi possa comportarsi in modo simile alla clorofilla delle piante che converte l’energia solare in energia metabolica.

Infatti, in presenza di radiazioni ionizzanti, questi funghi crescono ad un ritmo quattro volte superiore al normale. Come se ne venissero potenziati!

In conclusione devo ammettere che in questo caso la realtà è forse meno esaltante della finzione; del resto un manciata di muffe nere non può competere con una lucertola gigante, e di sicuro la minaccia di un fungo mutante in grado di distruggere una città è decisamente remota. Le vie dell’evoluzione, però, sono infinite e misteriose… Teniamo gli occhi aperti!

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Perché ci abbronziamo: i meccanismi cellulari alla base di una perfetta abbronzatura

Quasi tutti gli organismi viventi sul nostro pianeta esistono in diversi colori. La pigmentazione della superficie esterna del corpo umano è un carattere altamente ereditario e regolato da fattori genetici, ambientali ed endocrini.

Il colore della nostra pelle è determinato dal quantità, dal tipo e dalla distribuzione di un pigmento inerte prodotto dagli strati profondi della pelle e chiamato melanina.

La melanina gioca diversi ruoli all’interno del nostro corpo e delle nostre comunità: dalla definizione dell’etnia alla termoregolazione. In questo post, però, mi concentrerò sul suo ruolo di protezione contro i raggi ultravioletti (UV) presenti nella radiazione solare.

Prima di entrare nel dettaglio del metabolismo della melanina procediamo con ordine partendo dalla struttura più ampia della pelle per arrivare progressivamente al microscopico livello dei singoli enzimi localizzati all’interno delle cellule della pelle stessa.

La pelle è uno degli organi più estesi del corpo umano ed è costantemente in contatto con l’ambiente esterno. È quindi necessario che sia dotata di efficaci meccanismi di difesa per proteggerci dalle minacce ambientali.

La pelle è divisa in due strati principali (l’epidermide superficiale e il derma più profondo) organizzati a loro volta in sottostrati minori.

L’epidermide, per esempio, ha uno spessore variabile tra i 5 e i 100 micrometri (milionesimi di metro, o millesimi di millimetro) e si organizza in 5 sottostrati differenti: lo strato basale (o germinativo) più profondo, lo strato spinoso, lo strato granuloso, lo strato lucido e lo strato corneo più superficiale.

Gli strati dell’epidermide. I cheratinociti maturano spostandosi verso gli strati superficiali accumulando cheratina e morendo diventando squame di pelle. (fonte: Wikipedia)

Ciascuno strato è caratterizzato da una particolare popolazione di cellule specializzate. I principali tipi di cellule che compongono l’epidermide sono due: i cheratinociti e i melanociti.

I cheratinociti si trovano in forma immatura (poco specializzati e con un alto tasso di proliferazione) nello strato basale e maturano spostandosi negli strati superiori accumulando progressivamente una proteina filamentosa chiamata cheratina. L’accumulo di cheratina raggiunge il massimo nello strato corneo dove i cheratinociti muoiono formando lo strato più superficiale della pelle che si desquama. Lo strato corneo riduce la perdita d’acqua attraverso la pelle e previene l’invasione di agenti patogeni e sostanze nocive.

Ai melanociti, invece, è affidata la produzione di melanina. Si trovano nello strato basale dell’epidermide e sono caratterizzati da ramificazioni del corpo cellulare (dendritri) che utilizzano per mettersi in contatto con i cheratinociti. Ogni melanocita è in contatto con circa 40 cheratinociti e insieme formano una “unità epidermico-melanica”.

I melanociti producono e accumulano la melanina in granuli detti melanosomi che vengono catalogati in base allo stadio di sviluppo (dallo stadio I allo stadio IV). I melanosomi allo stadio II e III sono poveri di melanina e sono più numerosi nelle etnie a pelle chiara mentre i melanosomi di stadio IV sono ricchi di melanina e abbondano nei melanociti delle etnie dalla pelle più scura. Lo schema del tipo di melanosomi e la loro distribuzione sono determinati a livello embrionale e non dipendono da fattori esterni come la luce solare.

I melanociti dei mammiferi possono produrre due tipi di melanina: la feomelanina (giallo-rossa) e la eumelanina (marrone-nera). L’eumelanina viene sintetizzata a partire dall’amminoacido tirosina e dipende da tre enzimi fondamentali: la tirosinasi (TYR), TYRP1 (tyrosinase-related protein 1) e la DOPAcromo tautomerasi (DCT).

La pigmentazione cutanea è quindi il risultato di due differenti processi: la sintesi di melanina nei melanociti ed il suo trasferimento dai melanociti ai cheratinociti.

In seguito ad uno stimolo come l’esposizione ai raggi UV i cheratinociti attivano una serie di segnali molecolari che “risvegliano” i melanociti i quali a loro volta inviano i melanosomi carichi di melanina ai cheratinociti. Una volta nei cheratinociti i melanosomi si dispongono intorno al nucleo cellulare per proteggere il prezioso DNA contenuto al suo interno.

In realtà l’esposizione ai raggi UV attiva due differenti meccanismi difensivi nella pelle. Oltre alla dislocazione della melanina negli strati superficiali dell’epidermide appena descritta la pelle reagisce anche aumentando lo spessore dello strato corneo. I filamenti di cheratina sono in grado infatti di assorbire e deviare parte dei raggi UV presenti nella radiazione solare.

I raggi UV si dividono a seconda della lunghezza d’onda in UVA (320-400nm), UVB (280-320nm) e UVC (200-280nm). Questi ultimi sono in genere schermati dallo strato di ozono e non raggiungono la superficie della Terra. I raggi UVB sono schermati dai vetri delle finestre e delle macchine mentre gli UVA passano attraverso i vetri e possono raggiungere gli strati più profondi della pelle.

Si stima che il tra il 20 e il 50% dei raggi UVA riesca a raggiungere lo strato dei melanociti mentre solo il 9-15% degli UVB riesce ad arrivare a tale profondità.

Livello di penetrazione dei raggi UV negli strati della pelle. I raggi UVA vanno in profondità arrivando sino agli strati profondi del derma

Mentre i raggi UVB (che colpiscono gli strati più superficiali) sono maggiormente responsabili di eritemi e scottature, i raggi UVA sono tra le maggiori cause dell’incidenza dei tumori della pelle (melanomi).

L’unico effetto benefico noto è legato alla produzione di vitamina D stimolata dai raggi UVB.

I raggi UV sono pericolosi in quanto stimolano la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS, noti ai più come ossidanti o radicali liberi) e danneggiano direttamente la doppia elica del DNA aumentando il rischio di accumulare mutazioni che possono portare allo sviluppo di tumori. La melanina è in grado sia di schermare le radiazioni sia di reagire con i radicali liberi prevenendo i danni potenziali dovuti all’esposizione alla luce solare.

L’esposizione ai raggi UV può causare danni al DNA come rotture nei filamenti dei cromosomi  (frecce blu, fonte: Wikipedia).

L’abbronzatura è quindi una risposta difensiva della pelle e si realizza in due fasi: una fase precoce e una fase tardiva.

La fase precoce è rapida e stimolata soprattutto dai raggi UVA. Inizia immediatamente dopo l’esposizione, raggiunge il proprio massimo dopo 1-2 e ore e scema dopo 3-24 ore dopo. Questo processo rapido è dovuto alla traslocazione dei melanosomi esistenti verso le regioni periferiche dei melanociti e non involve la sintesi di nuova melanina.

La fase tardiva, invece, è un fenonemo graduale stimolato principalmente dai raggi UVB. Il processo inizia dalle 48 alle 72 ore dopo l’esposizione, raggiunge il massimo dopo 3 settimane e la pelle non torna al livello di partenza prima di 8-10 mesi dopo l’esposizione.

Questo secondo processo a differenza della risposta immediata coinvolge sia l’aumento nel numero di melanociti sia la sintesi di nuovi melanosomi e nuova melanina. I melanociti, inoltre, aumentano il numero di prolungamenti  così come la produzione dell’enzima tirosinasi.

Considerando che complessivamente il DNA di una singola cellula subisce ogni giorno almeno 500.000 singole lesioni (in genere eliminate da efficienti sistemi di riparazione molecolari) la melanina è un fedele cane da guardia che ci protegge continuamente oltre a donarci un’abbronzatura invidiabile!

Per approfondimenti  (review in inglese sull’argomento) cliccate QUI.

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