Futuro

La fotosintesi umana è possibile?

Forse in un futuro non molto lontano faremo a meno di preoccuparci del cibo e ci nutriremo di sole. Alcuni animali lo fanno già.

di Maddie Stone
18 febbraio 2015, 8:03am

Immagine: Yoshikazu Takada / Flickr

Immaginate se gli esseri umani potessero trarre nutrimento direttamente dell'energia solare come le piante. La vita sarebbe sicuramente più semplice: le ore passate a comprare, cucinare e mangiare potrebbero essere utilizzate per fare altro (e non avremmo neanche bisogno del Soylent). I terreni agricoli iper-sfruttati tornerebbero ad essere ecosistemi naturali. I tassi di malnutrizione, di inedia e di malattie di origine alimentare precipiterebbero.

Ma gli esseri umani e le piante non hanno un antenato comune. Praticamente ogni componente nella nostra biologia è totalmente diversa. Quindi parrebbe impossibile manipolare noi stessi per ottenere la fotosintesi—oppure no?

Ricercatori di biologia sintetica come Christina Agapakis hanno esplorato a fondo questa possibilità e hanno anche tentato di creare un ibrido vegetale-animale. Siamo lontani dalla creazione di un uomo fotosintetico, ma una nuova ricerca rivela un interessante meccanismo biologico che potrebbe aiutare gli sviluppi in questo ambito.


L'Elysia chlorotica, la lumaca che è un po' una pianta. Immagine: Patrick Krug

Il laboratorio di biologia marina di Wood Hole ha riportato recentemente di aver scoperto il segreto della Elysia chlorotica, la lumaca di mare che assomiglia a una foglia e si nutre di la luce solare, ma di fatto è un animale. È risultato che la E. chlorotica mantiene il suo colore vivido mangiando alghe e copiando i suoi geni fotosintetici. È l'unico caso conosciuto di un organismo pluricellulare che si appropria del DNA di altri.

"Sulla Terra non esiste modo perché i geni di un'alga possano funzionare all'interno di una cellula animale," afferma il co-autore dello studio Sidney K. Pierce, professore emerito della University of South Florida. "E tuttavia queste lumache lo fanno. Questo permette all'animale di affidarsi alla luce solare per la nutrizione." Se gli umani volessero manipolare le proprie cellulare per ottenere la fotosintesi, affermano i ricercatori, potrebbe essere usato un meccanismo simile.

Quando si tratta dell'utilizzo dell'energia del Sole, la razza umana ha passato un'enorme lasso di tempo a muoversi nella direzione evolutiva sbagliata. Mentre le piante sono diventate sottili e trasparenti, gli animali sono diventati densi e opachi. Le piante conservano il loro lento ma costante stillamento di succo solare rimanendo immobili, noi invece ci muoviamo, il che richiede energia e un'alimentazione più consistente.

Quando però ci si addentra nei livelli più microscopici della biologia—fino alle cellule e al codice genetico—pare che le differenze non siano poi così rilevanti. Ed è l'incredibile convergenza della vita ai suoi livelli più fondamentali che rende possibile cose straordinarie, come la capacità di un animale di rubare la fotosintesi a una pianta. Ora, attraverso la ricerca nel campo della biologia sintetica, potremmo essere in grado di creare un evento del genere, facendo sì che idee biopunk, come cerotti fotosintetici, non siano più solo concetti relegati alla fantascienza.

"Solitamente, quando si prendono i geni di un organismo e li si inseriscono nelle cellule di un altro organismo, semplicemente non funziona," mi ha detto Pierce. "Ma quando funziona può fare un'enorme differenza da un momento all'altro. È come se fosse una rapida evoluzione."

In tutta la loro grazia queste lumache marine a forma di foglia non sono gli unici animali che rubano il segreto dell'energia solare dal regno vegetale. C'è un afide che, come ha riportato Nature nel 2012, assorbe energia solare grazie a pigmenti chiamati carotenoidi. Ed è possibile che la vespa orientalis faccia qualcosa di simile, utilizzando un pigmento chiamato xantoferina per convertire l'energia solare in elettricità. Ma nessuna di queste creature è realmente fotosintetica—ad entrambe manca la capacità fondamentale di trasformare l'anidride carbonica in zuccheri.

Ci sono tuttavia altri animali che davvero riescono ad eseguire la fotosintesi, attraverso relazioni simbiotiche. L'esempio classico è il corallo; colonie di centinaia di animali che racchiudono dinoflagellate fotosintetiche all'interno delle loro cellule. La salamandra maculata, allo stesso modo, utilizza le alghe per alimentare dal sole i propri embrioni durante la crescita all'interno delle uova.

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L'incubazione della salamandra maculata avviene attraverso uova alimentate dall'energia solare. Immagine: Wikimedia

Tra tutti gli animali con rapporti stretti con il regno vegetale, tuttavia, le lumache marine fotosintetiche hanno una caratteristica che le rende uniche; esse hanno trovato il modo di tagliare fuori l'intermediario e fare la fotosintesi per conto proprio, mangiandosi i cloroplasti, organuli fotosintetici e ricoprendo con essi le pareti del proprio apparato digerente. Dopodiché l'animale-pianta può vivere per mesi nutrendosi soltanto di luce solare. Ma sussisteva il mistero di come le lumache riuscissero a mantenere le proprie minuscole "centrali solari rubate".

Ora Pierce e gli altri autori dello studio hanno la risposta. La lumaca, pare, non solo sottrae cloroplasti dalle alghe, ma si prende anche dei pezzi di DNA. In un paper pubblicato su The Biological Bulletin, gli autori hanno utilizzato una tecnica avanzata di imaging e hanno confermato che un gene dell'alga V. litorea è presente nel cromosoma della E. chlorotica. Il gene, che codifica un enzima usato per riparare i cloroplasti, probabilmente aiuta l'animale a mantenere il suo meccanismo fotosintetico anche dopo che ha divorato l'alga.

L'espropriazione genetica è un fenomeno raro in natura, ma gli scienziati la studiano da anni in laboratorio. Mettendo i geni di un organismo in un'altra creatura, abbiamo creato moltissime nuove forme di vita, dal grano che produce il proprio pesticida alle piante fosforescenti. Sarebbe una follia supporre che potremmo seguire l'esempio della natura e immettere la fotosintesi negli animali, magari anche negli umani?

"Ho provato a vendere l'idea alla Marina anni fa," mi ha detto Pierce al telefono. "Il mio pensiero era che se fossimo riusciti a mettere i cloroplasti nella pelle umana, forse saremo riusciti a mantenere una persona sott'acqua per tantissimo tempo." (La fotosintesi produce ossigeno oltre che zuccheri).

La Marina non ha mostrato interesse, ma altri ricercatori hanno preso la questione in seria considerazione. La biologa, designer e scrittrice Christina Agapakis, che ha conseguito un PhD in biologia sintetica ad Harvard, ha pensato a lungo come creare nuove simbiosi, manipolando le cellule animali affinché diventassero fotosintetiche.

"Abbiamo condotto un esperimento in cui abbiamo iniettato dei batteri fotosintetici in embrioni di danio zebrato. Incredibilmente il pesce non è morto, e neanche il batterio."

"Se avessimo iniettato E. coli l'embrione sarebbe morto nel giro di un'ora," ha affermato Agapakis. "Ma iniettando batteri fotosintetici il pesce ha continuato a crescere. Da un punto di vista evolutivo sembra che ci sia qualcosa di speciale nella fotosintesi."

L'esperimento è stato un'affascinante dimostrazione di versatilità biologica. Ma è molto lontano dalla creazione ex novo di un organismo a cui basta il Sole per sopravvivere. Il problema, mi ha spiegato Agapakis, è che ci vuole una superficie molto ampia per catturare abbastanza luce solare in modo da ottenere un pasto completo. La pelle umana, spessa, con una basso rapporto superficie-volume, non ha le caratteristiche adatte.

Immagine: Ton Rulkens/Flickr

"Se mi chiedete se sia possibile rendere il proprio corpo completamente fotosintetico, direi che prima di tutto bisognerebbe iniziare a stare immobili, e poi diventare trasparenti," ha detto Agapakis. "Abbiamo fatto un calcolo per il danio zebrato e ci siamo resi conto che avevamo bisogno di migliaia di alghe per ogni singola cellula."

La lumaca E. chlorotica potrebbe essere l'eccezione che conferma la regola. La lumaca si è evoluta in modo da assomigliare e agire come una foglia, tanto che, per molti aspetti, è probabilmente più una pianta che un animale.

Ma anche se non riusciremo a sostentarci interamente con il sole, chi sa se invece non potremo migliorare la nostra dieta con un occasionale snack di luce solare? Ci sono molti animali fotosintetici, inclusi alcuni cugini della lumaca, che non si affidano interamente all'energia solare ma utilizzano la fotosintesi come un generatore di riserva, per quando il cibo normale scarseggia.

"È una copertura contro la morte per inedia," mi ha detto Pierce. "In senso ecologico, la fotosintesi può fornire agli animali una grande libertà."

O forse potremmo progettare un nuovo uso per la fotosintesi.

"Forse si potrebbe avere un cerotto sulla pelle, un sistema attivato dalla luce," per esempio, che non richiede tanta energia quanto un essere umano.

Quindi forse non diventeremo fotosintetici nel prossimo futuro—almeno non prima di fare cambiamenti radicali nel nostro corpo—ma possiamo comunque lasciare che, ancora una volta, l'esempio della natura ci sia di ispirazione.