Rappresentare le piante. Part Two: Immaginare

bunkering-355pxCerto, è facile fare gli spocchiosi e lamentarsi quando le piante vengono usate come pin-up sexy e senza cervello su copertine patinate. A fare gnegnegné quando i creativi iniziano a pasticciare con le tecnologie più avanzate per inventare nuove espressioni. Intanto però, le immaginazioni delle piante, della loro chimica intricata e del loro comportamento alieno si moltiplicano anche dall’altra parte di questa ipotetica barricata virtuale, quella dei laboratori in cui i camici bianchi cercano, per fini di ricerca, di maritare grafica e scienza, raffigurazioni e numeri. Da queste  parti, talvolta, il rapporto tra raffigurazione visiva e dato numerico inizia persino a pendere dalla parte della prima, giovando a più scopi: di ricerca e di comunicazione.

L’imaging science per le piante non è certo una novità: dall’invenzione del microscopio fare ricerca con le immagini è diventato un must in molti campi della biologia. Tuttavia le immagini ottenibili hanno una serie di limiti, che vanno superati. Ad esempio, il loro contenuto non è immediatamente riconducibile a qualcosa di noto a tutti, dato che riproducono elementi invisibili ad occhio nudo. Un primo caso pratico di questo superamento è l’impiego di una diagnostica per immagini di origine medica, la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET), sfruttata da qualche anno non solo in oncologia ma anche come sistema non invasivo, non distruttivo  per monitorare lo spostamento dei metaboliti nelle piante. La traduzione dei valori registrati dallo strumento in immagini funzionali, anche cromaticamente, all’interpretazione dei dati diventa qui IL dato, grafico e non numerico, che serve al ricercatore. Al contempo l’oggetto ottenuto è direttamente riconducibile ad una categoria visiva universale per qualunque osservatore: la pianta intera, la foglia. L’immagine a sfondo blu in apertura, ad esempio, mostra la traslocazione dei metaboliti primari in una giovane piantina di pioppo a seguito dell’attacco da parte di una larva di Lymantria dispar. La porzione di destra illustra, senza bisogno di saper interpretare complicati spettri cromatografici, tabelle di numeri o disposizioni istologiche, il prelievo di zuccheri e proteine dalle foglie aggredite e il loro accumulo nel fusto e nelle radici, togliendo nutrimento all’insetto mentre questo bruca la foglia. In questo modo la pianta ripara, come i Russi nella Seconda Guerra Mondiale, le risorse pregiate oltre gli irraggiungibili Urali col fine di usarle in un secondo momento e al contempo fa terra bruciata attorno all’aggressore, costretto a masticare indigesto legno e non prelibati zuccheri.

In altri casi la PET permette di monitorare differenti forme stress e altre funzioni fisiologiche, come il tempo trascorso tra l’assorbimento di CO2 atmosferica da parte di una foglia, la sua inclusione in molecole di zucchero a seguito della fotosintesi e la traslocazione di queste ultime nei parenchimi di riserva, con tanto di precisa localizzazione. Allo stesso modo ancora, è stato possibile tracciare la diffusione quasi “nervosa” del segnale d’allarme veicolato dalla diffusione autoradiograph-300di un composto messaggero chiamato metil jasmonato in piante aggredite da patogeni. Infatti, il dettaglio dell’immagine ottenuta (una vera e propria autoradiografia) è tale da permettere l’osservazione del metil jasmonato all’interno di singoli tubi floematici, come se fosse adrenalina rilasciata nelle vene di un uomo in pericolo. Essendo basata sulla blanda e transitoria radioattività di un isotopo del carbonio, il C 11, questa declinazione vegetale della PET permette di studiare distribuzione e allocazioni all’interno di un periodo di tempo definito, senza danneggiare la pianta, garantendo quindi osservazioni in continuo ed assai più coerenti con la realtà.  Durante le osservazioni infatti la pianta rimane vitale e non deve essere “sacrificata” e sezionata come nel caso della microscopia classica, ottica o elettronica e il suo sviluppo può essere osservato quasi dal vivo, acquisito e riprodotto a fini di ricerca, didattica e divulgazione. Non solo immagini in tempo reale, ma in organismi vitali, laddove la microscopia classica offriva una stop-motion o addirittura fermo-immagine in tessuti morti. Per sovrannumero, quello che lo strumento restituisce è contemporaneamente un dato utile per il ricercatore esperto e un’infografica che lo spiega al semplice curioso.

L’applicazione di tecniche di imaging allo studio delle piante non si ferma peraltro alla PET e allo spostamento di metaboliti, ma si allarga sempre più frequentemente allo studio dello sviluppo e della funzione degli organi biologici, permettendo di superare altri limiti della microscopia classica.  Nelle ultime settimane, anche per la bellezza dei risultati, molti hanno condiviso il video riportato poco sopra e diverse immagini di piante carnivore prodotte dal John Innes Centre. Si tratta di materiale ottenuto mediante Tomografia a Proiezioni Ottiche, che  permette di ricostruire in 3D una serie di immagini ottenute al microscopio, riproducendo fedelmente ed in modo elaborabile la struttura di qualunque organo o tessuto vegetale. Se opportunamete condotta, l’OPT non ricostruisce “banalmente” il visibile, ma consente di acquisire anche immagini in fluorescenza, ad esempio seguendo l’espressione di geni specifici o il posizionamento di composti autofluorescenti o resi tali tramite appositi markers. Il tutto permette di ricreare modelli tridimensionali di singole cellule, di tessuti o di intere piante, seguendo la dinamica di crescita e l’attività delle cellule, combinando in tempo quasi reale morfologia e genomica con enormi vantaggi nella lettura del dato. Per chi studia la biologia dello sviluppo e cerca di comprendere la funzione degli organi vegetali è un sogno, in quanto le rappresentazioni possono essere ottenute da campioni interi e successivamente “aperti” e “sezionati” lavorando sul modello virtuale in 3D acquisiti, come descritto nelle seguenti immagini in bianco e nero. Anche in questo caso, per chi era abituato a dedurre lo sviluppo degli organi vegetali da singole sezioni bidimensionali di tessuti (belli, ma statici), l’aumento delle informazioni disponibili è enorme e la possibilità di spiegarle facilmente quasi a chiunque grazie all’immediatezza della percezione è altrettanto rilevante.

F1.largeF2.mediumIl valore di queste rappresentazioni è molteplice e si estende oltre l’ostico confine della scienza per scienziati: diventa più rapidamente adatto a spiegare le scoperte a un pubblico non tecnico (la fantomatica opinione pubblica) o non ancora esperto (gli studenti) in modo semplice, intuitivo e diretto. Cosa le distanzia allora dalle performance artistico-visuali descritte in un altro post? Per dare un senso alle cose che osserviamo abbiamo bisogno di modelli, di categorie che ci permettano di ricondurre i flussi di dati a categorie per noi riconoscibili, in maniera tale da generare rappresentazioni più confortevoli per la nostra mente. Nel passaggio dai singoli dati numerici (“quello che la macchina misura”) alle loro descrizioni verbali e di approfondimento (l’articolo scientifico, o divulgativo) queste immagini non sono un semplice corredo né un esotismo estetico o un détournement, come direbbe Débord. Si può discutere a lungo sulla possibilità (o sull’opportunità) di trasformare un dato scientifico in un'”esperienza” per il pubblico, ovvero in un qualcosa che prova a toccare i sensi e non solo la ragione (o che titilla i primi per attivare la seconda), ma nel loro piccolo le immaginazioni delle ricerche sulle piante non devono per forze essere gadget per coatti dell’immagine, ma possono diventare elementi nei quali il rapporto tra misurazione sperimentale e veicolazione del concetto è simile a quello esistente tra fiaba e morale.

ResearchBlogging.orgNon bastasse, l’istituzionalizzazione dell’imaging in campo vegetale è ormai tale da determinare anche la nascita di un’intera disciplina, derivata dalla bioinformatica e chiamata phenomic science. Si tratta di un’area della biologia dedicata alla misurazione olistica e totale dei tratti fisici e biochimici delle piante e della loro variazione in funzione di mutazioni genetiche e di ogni forma possibile di stress. Mentre la pianta cresce, viene misurata in tutto e contemporaneamente: crescita dimensionale, distribuzione di metaboliti primari e secondari, emissione di gas, assorbimento di acqua, forse anche nel numero di battiti di ciglia, se solo le avesse. In realtà questa disciplina, nella sua versione manuale, esiste da tempo ma sino ad ora era basata sulla somma di misurazioni manuali o puntuali, ad esempio della lunghezza delle foglie, dei frutti, dei fiori o della quantità di metaboliti in funzione del tempo, della disponibilità di nutrienti, del tipo di irrigazione e fertilizzazioni e di altre variabili. Inutile dire che queste operazioni richiedevano un’enorme quantità di tempo per produrre informazioni sufficienti e soprattutto spesso comportavano un danno per la pianta. Ora l’automazione e la precisione di un’ampia gamma di tecniche di imaging permette di ottenere enormi quantità di dati digitali nell’arco di una singola stagione e di rielaborarli in ogni salsa possibile, senza letteralmente toccare la pianta stessa. Ad esempio, la crescita e lo sviluppo tridimensionale dell’apparato radicale di una pianta in un vaso è misurabile in continuo, ottenendo ogni poche ore un’immagine  manipolabile grazie a una “fotografia 3D” mediante OPT, correlabile con qualunque variabile. Questo permette di comprendere come, perché e in base a quali stimoli le piante crescono e accumulano certi composti al variare del clima e delle condizioni agronomiche, a esempio. Già sono attivi diversi laboratori specializzati in queste operazioni, ad esempio alla fine del 2013 entrerà ne entrerò in funzione uno certamente poco romantico, ma completamente robotizzato e in grado di produrre grandi volumi di dati e informazioni sulla fisiologia vegetale. Il suo funzionamento è descritto in dettaglio in questa animazione video.

Lee, K. (2006). Visualizing Plant Development and Gene Expression in Three Dimensions Using Optical Projection Tomography THE PLANT CELL ONLINE, 18 (9), 2145-2156 DOI: 10.1105/tpc.106.043042

Kiser, M., Reid, C., Crowell, A., Phillips, R., & Howell, C. (2008). Exploring the transport of plant metabolites using positron emitting radiotracers HFSP Journal, 2 (4), 189-204 DOI: 10.2976/1.2921207

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