Come misurare il potenziale d’azione delle piante

I topi o anche un piccolo insetto hanno un cervello, ma quasi nessuno direbbe che una pianta o un albero o un arbusto hanno un cervello. Noi tendiamo a pensare che solo gli organismi che si muovono abbiano un cervello, ed è vero perché il nostro sistema nervoso si è evoluto per rispondere in modo veloce agli stimoli nel mondo e muoversi se necessario. Ma in realtà anche le piante si muovono, sebbene di solito più lentamente. In questo articolo vedremo che alcune piante si muovono rapidamente grazie a un “potenziale di azione” come quello che troviamo negli animali, e che sanno addirittura contare.

L’attività elettrica ha ruoli importanti e consolidati nella segnalazione rapida negli animali. In particolare, il “potenziale d’azione” è la breve inversione (circa un millesimo di secondo) della polarizzazione elettrica della membrana di una cellula nervosa (neurone) o di una cellula muscolare. Nel neurone un potenziale d’azione produce l’impulso nervoso e nella cellula muscolare produce la contrazione richiesta per tutti i movimenti. Vedi Come misurare il potenziale di azione dei neuroni, che trovi qui.

I potenziali d’azione, tuttavia, sono stati presto osservati anche nelle piante i cui organi subiscono rapidi movimenti, come ad esempio la Dionaea muscipula e la Mimosa pudica. Nel 1760, Arthur Dobbs, il governatore reale della North Carolina fece un’affascinante scoperta. Nel giardino dietro la sua casa trovò una pianta che chiude rapidamente i “denti” ogni volta che un insetto (ad esempio una mosca o una zanzara) vi finisce in mezzo. Si trattava appunto di un esemplare di Dionaea.

La più famosa pianta carnivora, la Dionaea. Se ne possono acquistare i semi, oppure esemplari già sviluppati in vaso, anche su Internet, ad es. qui.

Egli chiamò questa straordinaria pianta “flytrap” (nota come “Venere acchiappamosche”) e nel giro di un decennio essa arrivò anche in Europa, dove fu studiata dal grande Charles Darwin. Egli la definì la pianta più meravigliosa del mondo. In effetti è una pianta che si muove rapidamente – che è raro – ed è carnivora, che è altrettanto raro. Ed il tutto avviene nella stessa pianta. Nel 1873, il fisiologo inglese Burdon-Sanderson descrisse la propagazione del potenziale d’azione attraverso la foglia di Dionaea.

Bose e altri ricercatori osservarono invece il potenziale d’azione nella Mimosa dopo averla toccata. La segnalazione elettrica è stata in seguito osservata e studiata anche in altri tipi di piante. Ad esempio, nel 1926 Bose misurò i segnali elettrici in fasci vascolari isolati di felce, per dimostrare che i segnali elettrici viaggiano lungo queste strutture. Nel 1930, Umrath fu in grado di registrare il potenziale d’azione nella Nitella usando elettrodi intracellulari riempiti con cloruro di potassio (KCl).

Come rivelare il potenziale d’azione della Mimosa pudica

La cosa incredibile di una Dionaea o di una mimosa pudica è che, oltre a muoversi rapidamente, sanno anche “contare”, due caratteristiche che di solito tendiamo ad associare alla presenza di un cervello. In questo articolo mostreremo dei semplicissimi esperimenti di elettrofisiologia che sono altamente spettacolari e sorprendenti. In pratica, registreremo il segnale elettrico proveniente dal corpo di una pianta, proprio come facciamo misurando quello prodotto dai neuroni o dai muscoli.

Per l’apparato in grado di rivelare il potenziale d’azione delle piante, rimandiamo il lettore a quello illustrato per rivelare il potenziale d’azione dei neuroni, che puoi trovare qui, nel nostro articolo Come misurare il potenziale d’azione dei neuroni. Sostanzialmente, ti servirà un amplificatore di strumentazione e un filtro passabanda (0,1-160 Hz), per poi inviare il tutto, per il monitoraggio su uno schermo, a un oscilloscopio digitale o a un convertitore analogico-digitale (ADC) interfacciato a un PC.

Un misuratore di potenziale d’azione per scopi didattici presente in commercio, del costo di oltre 200 euro. Un dilettante può autocostruirselo con circa un decimo della spesa.

Se, ad esempio, metto un elettrodo sul polso di una mano e un elettrodo sul palmo dell’altra mano, posso vedere un segnale sullo schermo collegato a un simile apparato (illustrato nell’articolo appena citato) in grado di registrarlo. E questo segnale dovrebbe essere familiare a molti di voi, dato che assomiglia fortemente a un elettrocardiogramma (ECG).  Esso è prodotto dai neuroni presenti nel proprio cuore, che stanno “accendendo” dei cosiddetti potenziali di azione.

Qui “potenziale” significa in pratica una tensione elettrica, mentre “azione” significa in pratica che si muove su e giù, dunque è il segnale che fa muovere il mio cuore così da pompare il sangue. Il segnale dell’elettrocardiogramma può essere visto come una sequenza (e al tempo stesso una somma) di potenziali di azione. Nel caso del cuore, la cosa straordinaria è che vari neuroni sono sincronizzati fra loro, così da creare l’impulso in contemporanea, mentre in generale non è così.

Se metto degli elettrodi sulle mie mani, posso rivelare il potenziale d’azione dei neuroni cardiaci. Ciò va fatto con amplificatori ben isolati e alimentati a pile o batterie, altrimenti si rischia la fibrillazione cardiaca.

La forma caratteristica di questo potenziale d’azione la incontriamo non solo nell’uomo e negli animali, ma anche nelle piante. Prendiamo ad esempio una Mimosa pudica, una pianta che viene dal Centro e dal Sud America, e che ha un comportamento molto particolare. Infatti, se tocchiamo le sue foglie, si vede che le foglie di quel ramo tendono immediatamente a ritrarsi. Inoltre, se si tocca il gambo verde del rametto, l’intero rametto colpito tende a cadere giù improvvisamente.

Probabilmente, questo comportamento è stato sviluppato nel corso dell’evoluzione per apparire meno attraente agli insetti. Ma la cosa interessante è scoprire come fa a mettere in atto questo comportamento. Esattamente come possiamo misurare il potenziale elettrico del nostro corpo, possiamo registrare il potenziale elettrico della Mimosa pudica. Basta, ad esempio, avere un filo avvolto attorno al gambo del rametto ed un altro elettrodo nel terreno alla base della pianta.

Se ora io tocco il gamo del rametto, sullo schermo del mio apparato di registrazione vedrò un picco improvviso, spesso così grande che occorre riscalare il grafico. Quello che vediamo è un potenziale d’azione, lo stesso che caratterizza i neuroni (o cellule nervose) e le cellule muscolari. Ma tutto ciò sta accadendo in una pianta, dove quando io tocco i recettori essi inviano una tensione alla base del gambo del rametto, facendo sì che questo si muova, proprio come farebbe un muscolo di un braccio.

Il potenziale d’azione prodotto toccando il gambo di un rametto della Mimosa pudica, pianta che puoi acquistare facilmente ad es. qui.

Ma una pianta non ha muscoli. Ciò che ha è acqua dentro le cellule, e quando la tensione le colpisce le fa aprire, rilasciando l’acqua. Ciò cambia la forma delle cellule, e la foglia (o il ramo) cade. Dunque, il potenziale d’azione codifica in sé l’informazione di muoversi, ma negli animali e nelle piante la mette in atto in modo differente. Ma le piante possono fare molto di più e lo possiamo scoprire, ad esempio, passando ora a studiare – ed a divertirci con – la Dionaea muscipula.

Come studiare la capacità di contare delle piante

Prendiamo la Dionea e facciamo finta di essere una mosca. Dentro le foglie di una Dionea pronte a chiudersi si possono osservare alcuni peli simili a piccoli capelli neri, che sono i recettori che inviano l’impulso che fa scattare la chiusura delle foglie. Se tocco uno di questi peli come se fossi un insetto, osservo sul monitor del mio registratore un potenziale d’impulso, grazie a un elettrodo collegato al lato esterno di una delle due foglie (ad es. quella opposta alla foglia stimolata).

Il potenziale d’azione prodotto dalla Dionaea o Venere acchiappamosche dopo aver toccato un suo pelo nero visibile fra le “mandibole” formate dalle due foglie.

Nonostante ciò, però, la Dionaea non chiude i denti. Per capirne il motivo, dobbiamo conoscere un po’ meglio il comportamento di questa pianta. La prima cosa da sapere è che alla pianta occorre molto tempo – dalle 24 alle 48 ore – per aprire le sue foglie una volta che ha chiuso i denti, se non c’è alcun insetto intrappolato all’interno. Perciò ciò richiede molta energia. In secondo luogo, non le è necessario mangiare così tanti insetti nel corso dell’anno, poiché prende la maggior parte dell’energia dal Sole.

La pianta cerca solo di rimpiazzare alcuni dei nutrienti nel terreno con le mosche. La terza cosa da sapere è che questa pianta apre e chiude i suoi denti solo una manciata di volte prima che la trappola muoia. Perciò, la pianta vuole essere assolutamente sicura che c’è un pasto all’interno prima di chiudere i suoi denti. Per farlo, conta il numero di secondi fra due tocchi successivi dei suoi peli. L’idea è che se c’è un insetto all’interno la distanza fra i tocchi sarà relativamente breve.

Perciò, quando parte il primo potenziale d’azione, comincia a contare: 1, 2,… fino a 20. E se arriva a 20 senza che vi sia stato un secondo tocco, allora non chiuderà i suoi denti, mentre se il secondo tocco si verifica allora i denti si chiuderanno. Se quindi ora, andando avanti con l’esperimento, tocco di nuovo lo stesso pelo e sono passati più di 20 secondi i denti non si chiuderanno. Se però tocco il pelo due volte in modo ravvicinato, vedrò due potenziali d’azione vicini ed i denti si chiuderanno.

Il doppio tocco ravvicinato di un pelo interno alle foglie della Dionaea le fa chiudere.

Il prof. Stefano Mancuso, biologo dell’Università di Firenze e fondatore della neurobiologia vegetale, si è sempre occupato dell’intelligenza delle piante, e quindi anche della loro memoria. Nel suo bellissimo libro Plant Revolution, sottolinea come nelle piante l’intelligenza si sia sviluppata anche senza un singolo organo dedicato, il cervello, evolutosi soltanto negli animali. D’altro canto, egli non riesce a immaginare alcun tipo di intelligenza che non abbia una sua, seppur particolare, forma di memoria.

Il motivo è che la memoria consente di apprendere, e l’apprendimento è notoriamente uno dei requisiti dell’intelligenza. E la cosa interessante è che tutte le piante sono capaci di imparare dall’esperienza: hanno, insomma, una memoria. Uno dei primi a scoprirlo con test comparativi è stato Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829), il padre della biologia, che si occupò soprattutto dei movimenti rapidi delle piante cosiddette sensitive, cioè che rispondono in maniera rapida ed evidente a degli stimoli.

Il prof. Stefano Mancuso, uno dei maggiori esperti mondiali di neurobiologia vegetale e autore di numerosi libri, uno più interessante dell’altro.

In quell’epoca, la Mimosa pudica era una “star” della botanica e, come racconta Mancuso, Lamarck fu colpito dal fatto che, sottoposte a stimoli, ripetuti le sue foglie a un certo punto non rispondevano più, iniziando un cosiddetto “periodo refrattario”. Lamarck notò che “a volte, dopo stimoli sempre uguali, la pianta smetteva di chiudere le foglie ben prima di aver esaurito la propria energia”. Non riuscì a capire il perché di tale comportamento finché non seppe di un originale esperimento.

Il botanico francese Renè Desfontaines (1750-1833) chiese a uno studente di portare in carrozza in giro per Parigi delle piantine di Mimosa pudica osservandone il comportamento. Dopo un po’ le piantine si abituavano alle vibrazioni sempre uguali e non reagivano più. Come era possibile se non attraverso una qualche forma di memorizzazione delle informazioni? L’enigma è stato chiarito nel 2013 dalla ricercatrice Monica Gagliano, durante ricerche svolte al Laboratorio LINV di Mancuso, a Firenze.

Dopo circa 7-8 cadute delle piantine da un’altezza di 10 cm, le piante iniziavano a non chiudere più le foglioline. Ma non si trattava di semplice stanchezza. Infatti, se ora si scuotevano le piante in modo orizzontale, queste ultime di nuovo chiudevano le foglioline, in barba al periodo refrattario indotto dallo stimolo verticale. Si era riusciti a dimostrare che le piante “potevano apprendere la non pericolosità di un evento e distinguerlo da altri potenzialmente rischiosi: potevano quindi ricordare!”.

La ricercatrice Monica Gagliano e un dispositivo da lei inventato per capire se le piante possono “sentire” l’acqua che scorre e lì dirigere le proprie radici.

La capacità di comunicare fra diverse specie di piante

Dunque le piante non hanno un cervello nel modo a cui siamo abituati a pensarlo. Infatti, non vi sono assoni, non vi sono neuroni. Inoltre, la pianta non cade in depressione. Tuttavia, ciò che fa è molto simile a quel che fanno gli animali e l’uomo, che hanno la capacità di comunicare informazioni usando l’elettricità. La pianta usa semplicemente degli ioni diversi da quelli che usiamo noi, ma di fatto fa le stesse cose. Ma è possibile passare l’informazione a specie diverse di piante?

Beh, gli animali sono in grado di comunicare l’uno con l’altro. La cosa veramente sorprendente è che anche le piante possono farlo! Se non ci credete, potete fare questo semplicissimo esperimento, in cui realizziamo un comunicatore pianta-pianta inviando il potenziale d’azione della Dionea agli steli di una Mimosa pudica. Possiamo creare il tipico comportamento di questa mimosa senza toccarla. Infatti, in questo caso ci basterà toccare un pelo della Dionaea un paio di volte di seguito e la mimosa reagirà!

Toccando un pelo della Dionaea, si può far chiudere le foglie della Mimosa pudica, dopo aver opportunamente collegato elettricamente le rispettive foglie.

In realtà, quello appena illustrato non è l’unico modo in cui due piante possono comunicare. Nel 2009, in una serra vittoriana del Cruickshank Botanic Garden dell’Università di Aberdeen in Scozia, uno studente di dottorato di quell’università ha spruzzato degli afidi divoratori di vegetazione su otto piante di fave e sigillato le foglie e gli steli di ogni pianta all’interno di un sacchetto di plastica trasparente. Questo non era un atto di malizia, tuttavia: era tutto fatto in nome della scienza.

Lo studente sapeva che le piante di fagioli infestate da afidi rilasciano sostanze chimiche odorose note come composti organici volatili (COV) nell’aria per avvertire i loro vicini, che rispondono emettendo diversi COV che respingono gli afidi e attraggono le vespe caccia-afidi. Quello che non sapeva era se anche le piante stessero suonando l’allarme sotto la superficie del suolo, dove il Glomus – un fungo micorrizico – collega le radici delle piante. Ma questa è solo un altro aspetto della storia.

Infatti, le piante possono essere esposte a molti fattori di stress, come malattie, sbalzi di temperatura, erbivori, lesioni e altro ancora. Pertanto, per rispondere o essere pronti a qualsiasi tipo di stato fisiologico, devono sviluppare una sorta di sistema per la loro sopravvivenza nel momento e/o per il futuro. La comunicazione delle piante comprende la comunicazione utilizzando composti organici volatili, segnalazione elettrica e reti micorriziche comuni tra piante e una miriade di altri organismi come i microbi del suolo, altre piante (della stessa o altre specie), animali, insetti, e funghi.

La comunicazione fra le piante è un settore di ricerca affascinante.