Microalghe Volvox: il sorprendente cammino verso l’evoluzione

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Caratteristiche

Le microalghe appartengono alla classe delle Chlorophyceae. In particolare, le Volvox, inizialmente note come “grandi particelle rotonde“, furono descritte per la prima volta da van Leeuwenhoek nel 1700. La transizione da organismi unicellulari a pluricellulari vede nelle microalghe un modello di studio evoluzionistico. La famiglia Volvocaceae contiene diverse specie di flagellati verdi caratterizzati da differenti dimensioni intermedie e complessit√† unicellulare i cui maggiori esponenti sono Chlamydomonas e Volvox, per l‚Äôappunto.

Alga Volvox
Figura 1 – Alga Volvox

L’analisi molecolare e filogenetica della famiglia Volvocaceae indica che si tratta di una specie monofiletica che condivide un antenato comune con Chlamydomonas, famiglie sviluppate circa 50 milioni di anni fa.

Il nome Volvox deriva dal latino ‚Äúvolvere‚ÄĚ e ‚Äúatrox‚ÄĚ, ossia rotolare e feroce. Si tratta di un‚Äôalga verde multicellulare sferica, contraddistinta dalla presenza di piccole cellule somatiche biflagellate unite da ponti citoplasmatici e poche (circa 12-15) cellule riproduttive aflagellate grandi, chiamate gonidi. Parliamo di alghe coloniali, le cui cellule si sviluppano in gran numero (anche 30000+), restano incorporate in una struttura sferica cava chiamata cenobio e ciascuna di essa √® ricca di glicoproteine che formano una matrice gelatinosa.

Colonia di Volvox
Figura 2 – Colonia di Volvox

Filogenesi

DominioEukaryota
RegnoPlantae
PhylumChlorophyta
ClasseChloropyceae
OrdineVolvocales
FamigliaVolvocaceae
GenereVolvox

Riproduzione

Gli organismi appartenenti alla divisione Chlorophyceae sono aplonti e si riproducono in due fasi: la prima con meiosi iniziale che determina la formazione di uno zigote diploide che successivamente si riproduce asessualmente in mitosi. Si distinguono due processi, quello di inversione che dura circa 8 ore e il ciclo asessuato con durata di due giorni.

Ciclo riproduttivo
Figura – 3 Ciclo riproduttivo

Specificamente, in V.carteri il ciclo asessuato inizia quando i gonidi maturi avviano la gastrulazione chiamata “inversione” con una rapida serie di divisioni e clivaggi, al fine di ottenere al suo interno un embrione nativo con cellule somatiche e gonidi.

A seguito dell’inversione le cellule giovani iniziano ad aumentare di dimensione depositando una grande quantit√† di glicoproteine ed espandendosi sino a fuoriuscire dalla cellula genitrice, diventando autonome. Il ciclo si conclude con la morte delle cellule adulte.

Riproduzione
Figura 4 – Riproduzione

Locomozione

Volvox ha dimostrato di essere un modello sperimentalmente per diverse aree della fisica biologica, tra cui le interazioni idrodinamiche, motilità flagellare, fototassi e sincronizzazione flagellare.

La locomozione √® affidata alle cellule biflagellate (soma) dove i flagelli di una colonia di Volvox creano un’onda sincronizzata che viaggia dalla parte anteriore a quella posteriore.

Sorprendentemente, in questa danza di “onde metacronali“, derivanti dall’accoppiamento idrodinamico, nonostante l’apparente coordinazione tra i flagelli, non avviene nessuna comunicazione effettiva tra le cellule.

La sincronizzazione emerge da interazioni acquatiche. Le cellule ruotando attorno al loro asse antero-posteriore, similmente al modo in cui ruota un proiettile, favoriscono la fototassi. Inoltre, gli ‚Äúocchi‚ÄĚ delle cellule somatiche percepiscono non solo la presenza della luce ma anche la sua direzione.

Locomozione
Figura 5 – Locomozione

Ecologia

Gli habitat tipici dei volvocidi sono l’acqua dolce e calma, ma sono stati trovati anche nei fiumi, nel suolo, nel ghiaccio e nella neve. Difatti, sono alghe cosmopolite. Per l‚Äôanalisi ed il campionamento si prelevano campioni d‚Äôacqua che dopo successiva sedimentazione, si passa al conteggio delle cellule con il metodo di Uterm√∂hl.

Campionamento e analisi
Figura 6 – Campionamento e analisi

Tossicità

Le specie Volvox non presentando tossine, non sono dannose per l‚Äôuomo. Costituiscono per√≤ un pericolo per un eventuale eccessiva fioritura legata a uno stato di eutrofizzazione, che pu√≤ avere cause naturali o antropiche, determinando il danneggiamento degli ecosistemi.

Eutrofizzazione
Figura 7 – Eutrofizzazione

Umberto Lazzaro

Fonti

  • Origins of multicellular complexity: Volvox and the volvocine algae MATTHEW D. HERRON Division of Biological Sciences, University of Montana, 32 Campus Dr., Missoula, MT 59812, USA√Ļ
  • Brumley DR,¬†Wan KY,¬†Polin M,¬†Goldstein RE¬†(2014)¬†Flagellar synchronization through direct hydrodynamic interactions.¬†eLife,¬†3,¬†1‚Äst15.
  • Cellular differentiation in Volvox
  • PNAS¬†April 1, 1968¬†59¬†(4)¬†1082-1088;¬†https://doi.org/10.1073/pnas.59.4.1082
  • Carroll SB¬†(2008)¬†Evo‚Äźdevo and an expanding evolutionary synthesis: a genetic theory of morphological evolution.¬†Cell,¬†134,¬†25‚Äst36.
  • Cheng Q,¬†Fowler R,¬†Edwards L,¬†Miller SM¬†(2003)¬†The role of GlsA in the evolution of asymmetric cell division in the green alga¬†Volvox carteri.¬†Development Genes and Evolution,¬†213,¬†328‚Äst335.
  • A Comparative Study of the Species of Volvox
  • Gilbert M. Smith
  • Gilles R,¬†Gilles C,¬†Jaenicke L¬†(1983)¬†Sexual differentiation of the green alga¬†Volvox carteri.¬†Naturwissenschaften,¬†70,¬†571‚Äst572.
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