Salute e malattia
L'azoto è essenziale per quasi tutte le forme di vita, soprattutto piante. Sebbene abbondante nell'aria come gas (N₂), è inutilizzabile da piante e animali finché non viene convertito in nitrati o ammoniaca, usati per sintetizzare proteine e altri composti vitali. Alcune piante si avvalgono di cianobatteri specializzati, chiamati eterocisti, per fissare l'azoto atmosferico in forma biologicamente disponibile.
Le eterocisti sono cellule specializzate nella fissazione dell'azoto, formate da certi cianobatteri in condizioni di carenza di azoto. Per convertire l'azoto atmosferico, devono mantenere l'ossigeno fuori dalla cellula. Ciò richiede modifiche strutturali: pareti cellulari aggiuntive per bloccare l'O₂. Poiché la fissazione richiede assenza di ossigeno, la cellula non può produrre alcuni composti energetici; instaura così uno scambio con le cellule vicine: cede azoto fissato e riceve composti energetici. Una volta differenziata in eterocisti, la cellula non può tornare indietro. La formazione sembra regolata dalla disponibilità di ammoniaca e nitrati.
Le eterocisti spesso stabiliscono una simbiosi con alghe verde-blu: forniscono ammoniaca e nitrati all'alga, che ricambia con altri nutrienti. In questa simbiosi, le eterocisti possono diventare la maggioranza della popolazione batterica e la loro formazione non dipende più dai livelli di azoto, ma da segnali della pianta ospite. Relazioni simili tra piante e batteri non sono rare e permettono alle piante di acquisire nutrienti altrimenti inaccessibili.
La differenziazione in eterocisti comporta: formazione di tre pareti cellulari aggiuntive; sintesi di proteine coinvolte nella fissazione dell'azoto; degradazione di proteine che producono ossigeno; aumento di enzimi glicolitici per produrre energia senza O₂; produzione di proteine "spazzine" che eliminano ogni residuo di ossigeno.
Oltre alle eterocisti, la simbiosi tra batteri fissatori d'azoto e piante avviene in altre specie. La più nota è la famiglia delle leguminose (fagioli, arachidi, trifoglio, erba medica) che ospitano batteri rhizobium nelle radici per produrre azoto.
La fissazione dell'azoto, operata da eterocisti e altri batteri simbiotici, è cruciale per l'ecologia e per evitare l'esaurimento dell'azoto utilizzabile, non solo per le piante coinvolte ma per interi ecosistemi. È alla base di pratiche come la rotazione delle colture (alternanza mais/legumi). Senza questi batteri, nitrati e ammoniaca sarebbero scarsi, limitando drasticamente la varietà di flora e fauna sul pianeta.
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