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Misura del Potenziale d’Azione nelle Piante

Potenziale d’Azione

In fisiologia, un potenziale d’azione si verifica quando il potenziale di membrana in una specifica posizione cellulare aumenta e diminuisce rapidamente : questa depolarizzazione provoca poi una simile depolarizzazione in posizioni adiacenti. I potenziali d’azione si verificano in diversi tipi di cellule animali, chiamate cellule eccitabili, che includono neuroni, cellule muscolari, cellule endocrine e in alcune cellule vegetali. (da Wikipedia)

Sebbene le piante non abbiano nervi, le cellule vegetali sono in grado di generare impulsi elettrici chiamati potenziali d’azione, proprio come fanno le cellule nervose negli animali. In effetti, tutte le cellule biologiche sono “elettriche”. Le cellule usano le membrane per mantenere i loro ambienti interni separati da quelli esterni. Alcune molecole molto piccole possono infiltrarsi nelle membrane, ma la maggior parte delle molecole deve passare attraverso i pori o i canali che si trovano all’interno della membrana. Un gruppo di molecole migratorie è il gruppo degli ioni: particelle cariche come gli ioni sodio, potassio, cloruro e calcio.
Ogni volta che diverse concentrazioni di ioni si accumulano sui lati opposti di una membrana cellulare, esiste il potenziale per una corrente elettrica. Le cellule gestiscono questo potenziale elettrico usando canali proteici e pompe incorporate nella membrana cellulare, meccanismi che regolano il flusso di particelle cariche attraverso la membrana cellulare. Il flusso controllato di ioni dentro e fuori dalla cellula costituisce un segnale elettrico di comunicazione sia nelle cellule vegetali piante che in quelle animali.

Nella maggior parte delle piante, la funzione di questi segnali rimane tuttora una domanda senza risposta. Notevoli eccezioni a questo interrogativo sono le piante che si basano sui segnali elettrici per attuare rapidi movimenti, come la pianta carnivora Venere Acchiappamosche o la Mimosa pudica – una pianta le cui foglie si piegano quando vengono toccate al fine di scoraggiare l’eventuale predatore. (da Scientific American)

Con il nostro Amplificatore di Biosegnali abbiamo cercato di misurare il potenziale d’azione in queste due piante.

Elettrodi

Nel campo dei biosegnali gli elettrodi sono fondamentali. Negli organismi viventi, come le cellule o i tessuti, la conduzione elettrica avviene attraverso il movimento di ioni, mentre nei circuiti utilizzati avviene, come sappiamo, attraverso il movimento degli elettroni di conduzione. Per raccogliere i deboli segnali elettrici generati dagli organismi viventi è necessario tenere conto di questa modalità diversa di conduzione in modo da massimizzare il segnale e ridurre al minimo il rumore.

Ampiamente utilizzati sono gli elettrodi Ag/AgCl integrato con gel conduttivo contenente ioni cloruro (Cl). I normali elettrodi utilizzati per l’elettrocardiogramma non si prestano però per l’utilizzo su piante. Per questo motivo abbiamo preparato, con un semplice metodo, elettrodi appositi, mostrati nelle figura seguente.
L’elettrodo comune di riferimento è un semplice ago di siringa al quale è saldato un conduttore. Gli elettrodi attivi sono realizzati con un sottile filo di argento (Ag) sul quale è stata depositata una patina di Argento Cloruro (AgCl). Lo strato di AgCl è stato formato immergendo per circa 30 min. gli elettrodi in una soluzione di ipoclorito di sodio (normale candeggina). Lo strato di AgCl si riconosce facilmente perché è più scuro. Gli elettrodi sono stati poi inseriti in tubicini di plastica e saldati ad un conduttore.

Venere Acchiappamosche (Dionaea muscipula)

La dionea o venere acchiappamosche (Dionaea muscipula) è una pianta carnivora appartenente alla famiglia delle Droseracee.
Si dice che Darwin, quando la vide, la soprannominò “la pianta più spettacolare del mondo”. Grazie alla sua capacità di compiere rapidi movimenti tigmonastici e alla forma delle foglie, che ricordano una bocca piena di denti acuminati, è col tempo divenuta la pianta carnivora per antonomasia. (da Wikipedia)

I lunghi piccioli delle foglie posseggono alla loro estremità una trappola munita di “denti” morbidi, detti anche ciglia; le trappole sono formate da due lembi dentro ognuno dei quali si hanno tre piccoli peli che fanno da sensore; quando questi sensori vengono toccati o vibrano le trappole si chiudono di scatto (tigmonastia). La pianta, grazie ad un sofisticato sistema di “memoria“, riesce a distinguere il primo “tocco”, rimanendo ferma in attesa, dal secondo, che invece impartisce l’ordine di “serrare” le trappole. Ogni 30/40 secondi circa la “memoria” viene resettata facendo ripartire il ciclo. Questo sistema è usato dalla pianta per evitare di chiudere le trappole quando non abbia ancora “riconosciuto” la preda: una chiusura selettiva per risparmiare energia. Per riconosciuto si intende che “l’oggetto” all’interno della trappola debba muoversi, almeno due volte, nell’arco temporale di 30/40 secondi. In seguito alla chiusura della trappola, se la Dionaea rileva il movimento della preda, inizia la fase digestiva, altrimenti si riaprirà lentamente dopo qualche ora. Per questo motivo si sconsiglia di somministrare prede non vive poiché queste non verrebbero riconosciute e costituirebbero esclusivamente uno stress per la pianta. (da Wikipedia)

Il disegno seguente mostra le caratteristiche della foglia della Dionea.

Le immagini sotto mostrano la nostra Dionea con il posizionamenti degli elettrodi.
L’elettrodo di riferimento è stato collocato nella terra, mentre gli altri due elettrodi sono stati collocati sui due lati della foglia, utilizzando il gel conduttivo tra la punta dell’elettrodo e la superficie della foglia.

Con il nostro amplificatore e gli elettrodi descritti sopra abbiamo acquisito alcuni impulsi prodotti dalla Dionea. E’ sufficiente toccare leggermente i peli interni per ottenere un impulso molto evidente, della durata inferiore al secondo, con fronti piuttosto ripidi ed un lento decadimento, come si può vedere nel tracciato seguente.

Per una analisi off-line abbiamo anche acquisito il segnale con il nostro Raspberry ADC Logger con RasPI. I risultati sono soddisfacenti e sono mostrati nel grafico seguente.

La stimolazione ripetuta dei peli sensibili, all’interno di un periodo di circa 20 sec. causa la chiusura della “trappola”. Il grafico seguente mostra due impulsi ripetuti che hanno portato alla chiusura della foglia.

Analizzando in dettaglio il tratto della curva che corrisponde all’andamento verso lo zero possiamo vedere che è approssimato abbastanza bene da un andamento esponenziale, molto simile all’andamento della scarica di un condensatore in un circuito RC.

Mimosa Pudica Sensitiva

La mimosa pudica sensitiva è un’altra pianta che presenta la caratteristica di poter contrarre velocemente le sue foglie in risposta ad uno stimolo tattile esterno, causando anche un abbassamento dei rami più sottili. Questo movimento è definito tigmonastia.

I movimenti serali e notturni delle foglie si conoscono come nictinastia, e sono un esempio ben descritto di un ritmo circadiano vegetale regolato dalla luce. Il cambio di angolazione delle foglie paripennate è provocato dal cambio di turgore cellulare del pulvino, una struttura specializzata alla base del picciolo; in pratica un meccanismo provocato per osmosi. La diffusione di ioni di K+ fa sì che la soluzione interna risulti ipertonica rispetto all’esterna e che si produca così un turgore cellulare. A seconda che esso abbia luogo nelle cellule flessorie o estensorie, le pinne delle foglie si aprono o si chiudono.

Il meccanismo si presenta ottimale come difesa contro i predatori che al ripiegarsi delle foglie si ritroveranno di fronte a una pianta apparentemente marcia, ma è anche funzionale alla limitazione di perdita di liquidi utili durante le ore di caldo eccessivo o per proteggersi dal vento riducendo la superficie esposta.
Il disegno seguente mostra la struttura della pianta (da Backyard Brains).

Nelle immagine sotto le nostre piantine …

La risposta della pianta ad uno stimolo tattile è modulata in funzione dell’entità dello stimolo : ad un tocco leggero vengono chiuse le foglie, mentre ad uno stimolo più energico si verifica anche il piegamento del ramoscello.

Il posizionamento dei nostri elettrodi alla base del gambo e vicino alle foglie ci ha permesso di acquisire alcuni impulsi originati in risposta allo stimolo tattile sulle foglie. I tracciati riportati sotto sono due esempi. In genere c’è un impulso o un fronte ripido seguito da una lenta decrescita ad andamento esponenziale.

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