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Perché le piante di caffè producono caffeina?

Bevanda originaria dei monti dell’Africa nord-orientale, il caffè (Coffea arabica L.) rappresenta oggi una delle bevande più diffuse e consumate nel mondo in virtù delle proprietà stimolanti conferite dai suoi chicchi dalla caffeina.

Ma vi siete mai domandati il perché gli alberi di caffè producano nei propri frutti proprio la caffeina, molecola contenente azoto assai prezioso per la vita della pianta? In questo articolo proveremo a comprendere quali siano effettivamente i vantaggi evolutivi associati alla produzione della caffeina e di come le piante riescano a trarre più benefici possibile da questo loro investimento energetico.

Origine e la diffusione del caffè

Il caffè, come detto prima, venne domesticato nelle montagne dell’Africa nord-orientale e rappresenta oggi una delle colture tropicali economicamente più importanti del mondo. Appartiene alla famiglia botanica delle Rubiaceae, una delle più grandi famiglie di Angiosperme, che conta al suo interno ben 6000 specie, soprattutto tropicali, su un totale di circa 300.000 specie di piante a fiore. Sebbene sia possibile distinguere circa 100 specie appartenenti al genere Coffea, sono solo due le specie ad oggi commercialmente più diffuse: Coffea carabica e Coffea robusta (il cui nome scientificamente corretto è Coffea canephora).

Circa una decina sono invece le specie coltivate localmente ed ognuna di esse differisce per gusto, aroma, contenuto di caffeina ed adattabilità alle varie condizioni ambientali. Anche le differenze nelle condizioni di crescita (suolo, altitudine, precipitazioni) possono avere un forte impatto sulla qualità stessa dei chicchi; essi, infatti, possono variare per dimensione, colore, densità ed anche dal punto di vista chimico.

Prima di arrivare in Europa nel XV secolo, la conoscenza della bevanda era già diffusa nel Medio Oriente, dove il suo consumo avveniva principalmente in piccoli locali simili a taverne; nella nostra penisola fu la Repubblica di Venezia che, grazie ai suoi rapporti commerciali con l’Oriente, introdusse per prima il caffè in Italia, contribuendo così alla nascita delle prime botteghe e caffè letterari dell’epoca. Nel corso del XVII secolo il consumo si estese poi anche all’Inghilterra ed alla Francia, tant’è che nel Settecento ogni maggiore città europea vantava almeno un caffè, inteso come luogo di ritrovo per il consumo di tale bevanda.

Coltivazione e mercato

Grande impulso alla diffusione e coltivazione su larga scala della pianta di caffè venne dato sicuramente dallo sviluppo del commercio marittimo nel corso del XVII secolo, in particolare grazie alle attività delle Compagnie Inglesi ed Olandesi delle Indie Orientali.  Le prime coltivazioni in Brasile, paese che oggi produce oltre un terzo del caffè disponibile nel mondo, risalgono infatti già al 1727 e dipesero largamente dallo sfruttamento della schiavitù (almeno fino alla sua abolizione).

Il caffè rappresenta oggi la principale fonte di guadagno per circa 25 milioni di persone, costituendo di fatto una delle principali risorse economiche per le 50 nazioni tropicali che lo esportano. Secondo le recenti statistiche dell’International Coffee Organization, i maggiori produttori di caffè nel mondo dopo il Brasile sono, in ordine di importanza, il Vietnam, la Colombia e l’Indonesia. Seguono, con ordine variabile a seconda delle annate, il Messico, il Guatemala, l’Honduras e il Nicaragua.

Come è fatta la caffeina?

La caffeina è una sostanza appartenente alla famiglia degli alcaloidi, classe di importanti metaboliti secondari prodotti dalle piante e non sintetizzabili dagli animali, uomini compresi. Queste sostanze sono ricche di azoto e sono state largamente studiate anche nel campo della medicina umana, in quanto composti farmacologicamente bioattivi e dagli innumerevoli effetti fisiologici e psicologici.

Molecola della caffeina

In particolare, la caffeina è presente non solo nelle piante di caffè, dalle quali deriva il suo nome, ma la ritroviamo anche nel tè (Camellia sinensis L.) e nel cacao (Theobroma cacao L.), dove agisce comunque come eccitante sul nostro sistema nervoso. Come molti altri metaboliti secondari prodotti dagli organismi vegetali, la caffeina svolge  un numero notevole di funzioni molto importanti per il ciclo vitale della pianta. Elenchiamo qui brevemente alcuni dei benefici apportati dalla sua produzione, come l’importanza per la propagazione della specie vegetale e la sua eventuale difesa da attacchi da parte di erbivori, patogeni e competitori.

Il processo di sintesi della caffeina

La sintesi della caffeina inizia all’interno delle foglie, tra le parti della pianta più vulnerabili, dove aiuta a scacciare gli insetti e le chiocciole che si nutrono delle parti più tenere.  Quando le foglie, crescendo, si ispessiscono e diventano più coriacee, la pianta recupera la maggior parte della caffeina e la trasferisce durante lo sviluppo alle altre parti dell’organismo, come i fiori, i frutti ed i semi.

Il frutto, una caratteristica bacca rossa, produce caffeina che si diffonde poi nella coppia di semi internamente custodita. Quest’ultimi non soltanto ricevono caffeina, ma ne producono a loro volta finché essa non raggiunge una concentrazione tale da tenere alla larga la maggior parte degli aggressori. Complessivamente gli alberi di caffè sono aggrediti da oltre 900 specie di insetti ed altri parassiti, ed è logico pensare che la caffeina si sia evoluta proprio come risposta a questi attacchi.

Come la caffeina previene la germinazione delle altre piante

Oramai gli scienziati non hanno più dubbi: l’ingestione della caffeina rallenta le pulsazioni nelle chiocciole e causa contorsioni scoordinate del corpo delle limacce. Ed ancora, causa avvizzimento al minimo contatto nelle larve delle sfingi del tabacco e dei coleottori alpini e rallenta lo sviluppo di malattie fungine, dal comune marciume delle radici al cosiddetto scopazzo (o scopa delle streghe) , in cui lo stress sulle parti legnose di alberi ed arbusti si traduce nella formazione di una massa deformata di rami e ramoscelli che crescono da una forma centrale.

In effetti, la caffeina è così efficace contro una varietà molto ampia di parassiti che i ricercatori si sono chiesti quale sia effettivamente la ragione evolutiva e lo scopo di questo enorme investimento energetico, arrivando a teorizzare quello che possiamo definire un vero e proprio programma di riciclo della caffeina.

Ma le sorprese non finiscono qui: la stessa sostanza chimica che uccide le larve di coleotteri e fa contorcere le chiocciole interferisce anche con la divisione cellulare dei vegetali.

Ogni seme, per poter germinare correttamente, ha bisogno di assorbire rapidamente un certo quantitativo di acqua così che le cellule possano gonfiarsi e spingere all’esterno gli apici in via di sviluppo. Ma mentre la plantula di caffè cresce, la caffeina fuoriesce dall’endosperma, tessuto vegetale che avvolge l’embrione del seme e lo rifornisce di nutrienti , per poi diffondersi nel suolo circostante. In particolare, sembra che qui argini non solo la crescita delle piante vicine ma che impedisca anche la germinazione degli altri semi.

Sebbene il meccanismo preciso usato dalla caffeina per passare dai semi al terreno non è stato ancora del tutto chiarito, sembra che il composto si diffonda direttamente e possa passare persino attraverso le radici. Gli ultimi studi pratici di quello che viene effettivamente definito come il programma di riciclaggio degli alcaloidi suggeriscono che una parte della caffeina si sposti poi dall’endosperma oramai consumato alle foglioline del seme, facendo così ripartire l’intero processo.

La caffeina come repellente per lumache e chiocciole

Alte dosi di caffeina sono funzionali a tenere lontani eventuali predatori dalla pianta agendo come delle vere e proprie neurotossine sul sistema nervoso di molti parassiti ed insetti di vario genere. Questa proprietà estremamente importante ha fatto riflettere molti scienziati sulla possibilità di utilizzare questa sostanza nel controllo di insetti dannosi e di fitopatogeni per le colture agrarie, nell’ottica di un’agricoltura sostenibile ed a basso impatto ambientale.

La maggioranza dei prodotti attualmente in commercio per il controllo di lumache e chiocciole  contiene metaldeide e methiocarb come ingredienti attivi, i quali residui non sono permessi nelle colture di interesse alimentare negli Stati Uniti d’America. Alcuni ricercatori americani hanno scoperto che soluzioni contenenti una certa quantità di caffeina sono capaci di uccidere, o quantomeno di inibire la crescita di lumache ed insetti potenzialmente dannosi per le colture.

Trattandosi di un composto naturale, l’utilizzo della caffeina per il controllo e la prevenzione della diffusione di insetti patogeni in agricoltura al posto di pesticidi dannosi per l’ambiente ed il suolo fa ben sperare, dal momento che l’americana Food and Drug Administration la classifica come una sostanza GRAS (Generally Recognize As Safe), ossia “generalmente riconosciuta come sicura”.

I ricercatori hanno infatti scoperto che, se applicata come soluzione spray all’1-2% sulle foglie o direttamente nel mezzo di crescita della pianta, la caffeina è capace di uccidere in sole 48 ore fino al 92% delle lumache e chiocciole presenti. Al fine di comprendere meglio come effettivamente la caffeina agisca inibendo la crescita di questi animali fino a portarli alla morte è stato condotto un ulteriore esperimento che ha portato gli studiosi  a risultati molto interessanti; per testare l’effetto della caffeina su Zonitoides arboreus ( Say , 1816 ), le chiocciole mature delle orchidee , questi animali sono stati posti in una piastra Petri e trattati con una soluzione contenente caffeina a varie concentrazioni, misurando poi loro frequenza cardiaca al microscopio stereoscopico.

Dopo 24 ore dal trattamento le chiocciole trattate con concentrazioni di caffeina allo 0,1% o più presentavano un battito cardiaco debole ed irregolare, mentre tutte le altre trattate con concentrazioni superiori di caffeina, come 0,5 e 2,0%, sono state trovate morte dopo 96 ore dal trattamento iniziale. Questi effetti sarebbero determinati, secondo gli studiosi, dal rilascio di ioni calcio da parte dei neuroni dei molluschi, processo che determinerebbe un allungamento nella durata del potenziale d’azione.

Altro aspetto da considerare è che una concentrazione al 2% di caffeina non ha né compromesso la normale crescita della pianta né causato alcun danno visibile alle foglie; viceversa, altri esperimenti condotti su lattuga, bromelia e felce hanno visto la comparsa di un lieve ingiallimento fogliare, che potrebbe essere migliorato miscelando la caffeina con un appropriato polimero ad uso agricolo, il quale oltretutto renderebbe i residui degli spray ancor più resistenti all’acqua.

Alla luce di questi importanti risultati è stato proposto l’utilizzo della caffeina nel controllo della proliferazione di lumache e chiocciole, le quali sarebbero naturalmente già più suscettibili a questa sostanza rispetto agli altri animali come gli artopodi; essendo infatti la caffeina altamente solubile in acqua essa andrebbe ad interferire con il muco prodotto dai molluschi durante la loro locomozione.

Coevoluzione tra piante di caffè ed api domestiche

In definitiva è piuttosto facile capire che il motivo per cui le piante di caffè vogliono proteggere i propri semi e le proprie foglie è quello di garantire un vantaggio evolutivo alle propria specie.  Tuttavia, la teoria definitiva sull’evoluzione della caffeina è ancora più sorprendente ed ha a che fare con la dipendenza. Un fenomeno che infatti ha lasciato a lungo perplessi gli scienziati è stata la comparsa della caffeina in un posto assai insolito: il nettare dei fiori. Che senso ha mettere una sostanza insetticida in un organo progettato per attirare proprio gli insetti?

Ape domestica su fiori di caffè

Una recente ricerca condotta sulle api domestiche sembra aver chiarito questa spinosa questione. A giuste dosi, infatti, la caffeina non tiene lontani gli impollinatori bensì li induce a ritornare. La scienziata Geraldine Wright, professoressa di neuroscienze alla Newcastle University, ha costruito la sua carriera sullo studio del comportamento delle api domestiche. Il sistema nervoso centrale delle api può anche essere semplice ma nel contesto analizzato dalla ricercatrice funziona proprio come il nostro: il sistema di ricompensa si attiva quando le api bevono caffeina portando ad una amplificazione nella risposta neuronale causata dal rilascio in circolo di alcune sostanze, come la dopamina, che rinforzano lo stimolo ricevuto, rimarcandolo.

Quando Wright e colleghi hanno indotto le api di un’arnia a impollinare dei fiori sperimentali, hanno osservato che vi era una probabilità tre volte maggiore che gli insetti ritornassero a visitare quelli a cui era stata somministrata la caffeina. L’aumento di questa sostanza nel nettare di caffè è quindi una dimostrazione della coevoluzione di piante di caffè ed insetti impollinatori . Se è vero che una concentrazione eccessiva di caffeina genera un sapore amaro deterrente, talvolta anche tossico, in questo caso i fiori offrono esattamente la giusta dose per stimolare la memoria e far così ritornare le api a raccogliere altro nettare.

Conclusioni

In questo articolo abbiamo visto come la caffeina sia in grado di svolgere una moltitudine di funzioni atte alla sopravvivenza delle piante stesse. La caffeina contribuisce infatti alla corretta germinazione dei semi, al corretto sviluppo delle plantule e alla difesa contro eventuali predatori. Non solo, studi recenti hanno evidenziato come la produzione di questa sostanza venga modulata dalla pianta stessa, al fine di creare dipendenza in alcuni insetti impollinatori e favorire così la propagazione della propria specie.

Referenze

  1. Evert, R. F.;  Eichhorn, S. E.; “La biologia delle piante di Raven”, Zanichelli, 2018;
  2. Hanson, T.; “Semi”. Viaggio all’origine del mondo vegetale “, ilSaggiatore S.r.l., Milano, 2017;
  3. Hollingsworth, R. G.; Armstrong, J. W.; Campbell, E.; “Caffeine as a repellent for slugs and snails” (2002). USDA National Wildlife Research CenterStaff Publicatio
  4. Wright, G. A.; Baker, D. D.; Palmer, M. J.;  Stabler, D.;  Mustard, J. A.; Power, E. F.;  Borland, A. M.;  Stevenson , P. C.; “Caffeine in Floral Nectar Enhances a Pollinator’s Memory of Reward”  (2013) .  Science08 Mar 2013 : 1202-1204;
  5. International Coffee Organization – Trade Statistics Tables.
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