Cicli Biogeochimici

È un approccio a mio avviso più elegante rispetto alle classificazioni tradizionali, che spesso si limitano a distinguere tra macro e microelementi.

1. Elementi Essenziali Strutturali Universali (16 elementi: H, C, N, O, P, S, K, Na, Mg, Ca, Cl, Mn, Fe, Cu, Zn, Mo)

Questa categoria include gli elementi che formano parte integrante delle strutture cellulari e sono essenziali per tutti i cladi degli organismi viventi.

• H, C, N, O, P, S: Questi sono universalmente riconosciuti come i principali costituenti delle macromolecole biologiche (carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici) e sono fondamentali per la vita.
• K, Na, Mg, Ca, Cl: Questi sono classificati come macro-minerali o ioni essenziali per tutti i regni della vita, svolgendo ruoli chiave nell’omeostasi cellulare, nella segnalazione e nel potenziale di membrana.
• Mn, Fe, Cu, Zn, Mo: Questi sono micronutrienti essenziali (oligoelementi) ampiamente riconosciuti per il loro ruolo come cofattori di enzimi e in altre funzioni strutturali e metaboliche. La tua inclusione di “cofattori” e parti di “enzimi” nella definizione di “strutturale” giustifica bene la loro presenza qui.
• Rame: La sua inclusione in questa categoria è appropriata. Il rame è un metallo di transizione essenziale per gli esseri umani (e per la maggior parte della vita), con ruoli cruciali in numerosi enzimi e processi fisiologici.

La selezione e classificazione di questi 16 elementi come “essenziali strutturali universali” è ben supportata dalle attuali conoscenze scientifiche.

2. Elementi Essenziali Strutturali di Cladi (6 elementi: B, Se, Ni, Co, Si, I)

Questa categoria raggruppa elementi la cui essenzialità è limitata a specifici cladi o gruppi tassonomici, che si aggiungono ai precedenti 16 elementi essenziali universali per particolari cladi di organismi.

• Boro (B): Essenziale per le piante, in particolare per l’integrità della parete cellulare e la divisione cellulare. Negli animali superiori, è considerato benefico ma la sua essenzialità definita è ancora oggetto di dibattito.
• Selenio: Anche se è essenziale in molti cladi di tutti i regni della vita, in particolare per la sua inclusione nelle selenoproteine con funzioni antiossidanti, è, per quel che ne sappiamo, assente nelle piante superiori, nei funghi e, tra gli animali, in alcune specie di nematodi e del genere drosophila.
• Nichel: Essenziale per specifici metalloenzimi, come l’ureasi nelle piante e la idrogenasi in alcuni microrganismi.
• Cobalto: Essenziale principalmente come componente della vitamina B12 (cobalamina), richiesta da molti organismi (inclusi animali e molti microrganismi).
• Silicio: Essenziale per le diatomee (formazione del frustolo silicico) e benefico per molte piante, migliorando la resistenza a stress abiotici e biotici. La sua essenzialità per gli esseri umani non è stata ancora completamente provata, sebbene mostri bioattività benefiche.
• Iodio (I): Essenziale per i vertebrati, principalmente come componente degli ormoni tiroidei.

Questa categoria è ben definita e riflette accuratamente la specificità tassonomica dell’essenzialità di questi elementi.

3. Elementi Essenziali Strutturali di Nicchia (7 elementi: V, Cd, W, La, Ce, Pr, Nd)

Questa categoria include elementi la cui essenzialità è limitata a nicchie ecologiche molto specifiche o organismi particolari.

• Vanadio (V): Essenziale per alcune forme di vita, come alcune alghe e batteri azoto-fissatori.
• Cadmio: Generalmente considerato tossico, ma è essenziale per alcune specie di diatomee come sostituto dello zinco nell’anidrasi carbonica in condizioni di carenza di zinco. Questo è un eccellente esempio di essenzialità di nicchia. Ecco i punti chiave per chiarire perché il Cd può essere considerato “essenziale di nicchia” anche se agisce come sostituto:

1. Sostituzione funzionale nell’enzima anidrasi carbonica: Nelle diatomee, l’enzima anidrasi carbonica normalmente richiede zinco. Tuttavia, quando lo zinco è limitante, il cadmio può sostituirlo nel sito catalitico dell’enzima, ripristinandone l’attività e quindi migliorando la crescita delle diatomee. È stata persino scoperta una specifica anidrasi carbonica che può utilizzare il Cd, denominata Cd-carbonic anidrasi. Questa CDCA è un esempio unico e finora l’unico noto di una funzione biologica del cadmio.
2. Vantaggio ecologico e crescita: Nelle acque oceaniche superficiali, le concentrazioni di zinco possono essere estremamente basse. In questi ambienti poveri di zinco, l’abilità delle diatomee di utilizzare il cadmio come sostituto non è solo una curiosità biochimica, ma un meccanismo che permette loro di sostenere la crescita e la fotosintesi. Questo conferisce un significativo vantaggio adattativo in un ambiente dove altrimenti sarebbero fortemente limitate.
3. Profilo di nutriente: La concentrazione di cadmio nell’oceano aperto mostra un profilo simile a quello dei nutrienti essenziali (come fosfato e nitrato), suggerendo un utilizzo biologico. Il cadmio si accumula in profondità a causa della decomposizione della materia organica e della rimineralizzazione, e viene impoverito in superficie dall’assorbimento biologico. Questo “profilo di nutriente” è un’indicazione indiretta ma forte della sua essenzialità per il fitoplancton marino.
4. Specificità ambientale e tassonomica: L’essenzialità del cadmio per le diatomee è un esempio perfetto di “essenzialità di nicchia” perché è contingente a condizioni ambientali specifiche (bassa disponibilità di zinco) e si manifesta in un gruppo tassonomico specifico (alcune specie di diatomee). Non è universalmente essenziale per tutti gli organismi, né sempre.
5. In sintesi, anche se il cadmio funziona come “sostituto” dello zinco, contraddicendo il primo principio dell’essenzialità, la capacità di alcune diatomee di farlo non è un semplice “trucco” biochimico. È una strategia vitale che permette loro di prosperare in ambienti altrimenti ostili, rendendo il cadmio funzionalmente essenziale per la loro sopravvivenza e crescita in quella specifica nicchia ecologica. Questo porta a considerare il cadmio come un elemento essenziale di nicchia, cruciale per la biogeochimica dell’oceano.

• Tungsteno (W): Essenziale in alcuni procarioti (batteri e archea ipertermofili), dove sostituisce o integra il molibdeno in specifici enzimi.
• Lantanidi: La ricerca ha dimostrato che i lantanidi leggeri (come La, Ce, Pr, Nd) sono essenziali per specifici metilotrofi, dove sono richiesti come cofattori per l’enzima metanolo deidrogenasi. Sono considerati elementi con usi biochimici specializzati in alcuni organismi inferiori. Questo è un campo di ricerca relativamente nuovo.

Questa categoria è eccellente nel catturare l’essenzialità altamente specifica e meno comune di questi elementi.

4. Elementi Essenziali Metabolici di Nicchia (1 elemento: As)

• Arsenico: Sebbene l’arsenico sia noto principalmente come tossina ambientale, la ricerca ha rivelato che può avere un ruolo essenziale nel metabolismo di specifici microrganismi. Alcuni batteri usano l’arsenato [As(V)] come accettore terminale di elettroni nella respirazione, e l’arsenito [As] può essere ossidato da altri batteri. L’arsenico può anche essere coinvolto in composti organoarsenicali che potrebbero aver avuto un ruolo nell’evoluzione della vita.

L’inclusione dell’arsenico come elemento essenziale metabolico di nicchia è accurata e ben supportata dalle scoperte sulla sua biotrasformazione e sui suoi ruoli metabolici in contesti microbici specifici.

Riepilogo

La classificazione qui proposta è un approccio avanzato e concettualmente solido alla comprensione degli elementi essenziali. Incorpora la complessità della biologia, riconoscendo che l’essenzialità non è un concetto binario o universale, ma dipende dalla filogenesi e dalle strategie metaboliche degli organismi.

Questa classificazione offre un quadro robusto invitando a pensare criticamente all’interazione tra chimica e biologia e alla diversità delle strategie vitali.