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Fisiologia del pesce palla

Nel marzo del 2014 scrissi QUESTO post sulla scossa dell’anguilla elettrica. A farmi venire l’idea fu una visita al museo della California Academy of Science a San Franciso dove ebbi la possibilità di vedere uno splendido esemplare di anguilla in una delle vasche del museo.

A più di due anni di distanza mi trovo dall’altra parte del mondo, per la precisione in Giappone dove la fauna ittica abbonda, tanto negli ecosistemi quanto nei piatti dei ristoranti. Da qui l’idea di dedicare un secondo post alla biologia marina (da assoluto profano, sia chiaro), ed in particolare ad un pesce considerato una prelibatezza da queste parti.

Pesce palla è il nome comune dato alle specie appartenenti alla famiglia dei Tetradontidi (da “quattro denti”). Esistono circa 120 specie di questi pesci che abitano le acque calde di diversi paesi quali Cina, Filippine (nei fiumi e nelle foreste di mangrovie), Messico, Taiwan e, appunto, Giappone. Non sono abili nuotatori e si cibano di animali poco mobili come crostacei e molluschi dei quali aprono i gusci e le conchiglie tramite i quattro denti fusi in un possente becco.

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Esemplare di pesce palla. I denti inferiori sono chiaramente visibili nella bocca aperta.

La loro lentezza è ben compensata da due ben noti meccanismi di difesa. Il primo consiste nelle elevate concentrazioni di tetrodotossina che il pesce palla accumula nei propri tessuti, in particolare fegato e vescica. Questa neurotossina è un potente inibitore del canale del sodio e ne basta un milligrammo per paralizzare ed uccidere un uomo adulto. Questo rende la carne di pesce palla (“fugu” nella cucina giapponese) una pericolosa prelibatezza per i consumatori nipponici che mangiano il costoso sashimi di pesce palla per esibire il proprio status sociale, nonché una malsana dose di coraggio.

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Sashimi di pesce palla (fugu). In Giappone per poter preparare questo piatto occorre una specializzazione con rilascio di relativa licenza. Vista la pericolosità del pesce palla, il sashimi di fugu non può essere servito alla tavola dell’Imperatore.

Il secondo meccanismo di difesa, invece, da al pesce palla il suo nome comune e consiste nell’ingestione repentina di grandi quantità di acqua e/o aria che portano il pesce a gonfiarsi, aumentando sensibilimente le proprie dimensioni.

Ma qual è il meccanismo dietro questo bizzaro fenomeno?

Quando si sente minacciato il pesce palla per prima cosa riempie la propria bocca di acqua (o aria) con una velocità fino di 35 sorsi in circa 14 secondi. Dopodichè un grande muscolo posto alla base della valvola orale viene spinto in avanti, giusto dietro i denti, per impedire che l’acqua fuoriesca. Grazie ad un arco branchiale specializzato, un meccanismo a stantuffo spinge poi l’acqua lungo l’esofago fino ad una sacca apposita.

Questa sacca è una porzione modificata dell’esofago stesso ed è caratterizzata da pareti resistenti ed estremamente elastiche. A ciò si aggiunge tutta una serie di adattamenti che permettono al pesce palla di raddoppiare o triplicare le proprie dimensioni in pochi secondi. I pesci palla, ad esempio, non hanno costole ne pelvi. Sfinteri specializzati si chiudono lungo l’esofago impededendo all’acqua ingurgitata di sfuggire. Il collagene dei loro tessuti, poi, è organizzato in modo da favorire l’espansione, mentre la loro pelle è priva di scaglie (ma può essere coperta di aculei). La spina dorsale e i nervi, inoltre, dimostrano anch’essi una spiccata flessibilità.

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Gonfiandosi il pesce palla diventa una preda difficilmente attaccabile, soprattutto se copera di spine accuminate.

Grazie a tutti questi accorgimenti il pesce palla può esibire uno dei più affascinanti meccanismi di difesa osservabili in natura. Nel 2014, inoltre, un gruppo di ricerca australiano ha dimostrato che i pesci palla non trattengono il fiato mentre sono gonfi. Questa era una credenza diffusa visto che le branchie sembrano sigillarsi quando l’animale si gonfia. Lo studio di McGee e Clark ha invece dimostrato come una serie di sfinteri isola il tratto digerente dalle branchie che rimangono così attive durante l’inflazione.

Il gonfiarsi rimane comunque una risorsa estrema e costa al pesce palla parecchia energia. L’animale, infatti, impiega diverse ore a recuperare il normale ritmo metabolico una volta sgonfiato. Per questo è opportuno non infastidire questi pesci, spesso tenuti come animali da acquario, solo per vederli gonfiare.

Per concludere, QUI potete trovare un articolo scientifico sulla fisiologia del pesce palla, mentre QUI e QUI potete trovare informazioni e curiosità su questi affascinanti animali.

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La scossa di un’anguilla elettrica.

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Ingresso della California Academy of Science

Ingresso della California Academy of Science

La scorsa settimana mi trovavo a San Francisco per un convegno. Nel tempo libero ho visitato praticamente tutta la città, compresa la moderna California Academy of Science situata all’interno dell’enorme Golden Gate Park.

Girovagando tra le varie sezioni del museo, passando da un frammento di roccia lunare ad un simulatore di terremoti, mi sono ritrovato nell’area dedicata alla vita marina. Un vero e proprio acquario con decine di vasche multicolori!

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Una delle vasche all’interno dell’Academy.

Mentre passavo in rassegna ogni singola vasca mi sono imbattuto in un animale di cui, fino a quel momento, avevo solo sentito parlare in qualche documentario: la misteriosa anguilla elettrica.

Dopo essermi stupito di quanto piccoli fossero gli occhi in proporzione al resto del corpo mi sono accorto di non sapere effettivamente nulla di come questo bizzarro pesce riesca a produrre scosse elettriche abbastanza forti da stordire se non uccidere le proprie prede.

A quel punto il bambino curioso mai cresciuto che vive in me ha iniziato a strattonare la giacca al biologo apparentemente adulto che si affaccia all’esterno. Per questa ragione, una volta rientrato a casa e recuperato (più o meno) dal jet lag, ho fatto qualche ricerca per rispondere alle domande insistenti del mio fanciullo interiore.

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Il mio incontro con l’anguilla elettrica della California Academy of Science

Prima di addentrarci nell’argomento è però necessaria una brevissima introduzione sulla bioelettricità.

I fenomeni elettrici in natura sono estremamente comuni, basti pensare ai segnali generati e trasportati dai neuroni o all’attività del muscolo cardiaco. Le correnti elettriche negli organismi viventi non sono formate da elettroni in movimento ma bensì da flussi di ioni, ovvero atomi carichi elettricamente. Gli elementi responsabili delle maggiori correnti ioniche a livello cellulare sono il sodio, il potassio, il calcio, l’idrogeno (protoni) ed il cloro (o per meglio dire i rispettivi ioni di questi elementi).

All’interno di una cellula una corrente ionica si sviluppa grazie a particolari proteine che permettono il flusso degli ioni e sono chiamate con il nome fantascientifico di canali ionici.

I diversi tipi di ioni si accumulano in modo asimmetrico sui due lati della membrana cellulare che funge da isolante. La differenza di concentrazione ionica tra l’esterno e l’interno della cellula genera un potenziale eletttrico detto potenziale di membrana. Quando i canali ionici si aprono gli ioni possono fluire attraverso la membrana generando una corrente elettrica.

Rappresentazione semplificata di un canale ionico in membrana. L’apertura del canale permette agli ioni di fluire da un lato all’altro della membrana cellulare generanto una corrente elettrica.

Tra i fenomeni elettofisiologici più noti troviamo il potenziale d’azione, ed il logo di questo blog è una rappresentazione di un potenziale d’azione di una cellula cardiaca ventricolare.

Ma torniamo ora alle nostre anguille elettriche che… non sono anguille!

Ci sono rimasto male anch’io quando l’ho scoperto, ma le anguille elettriche non appartengono all’ordine degli Anguilliformi (a cui appartengono, per esempio, le murene).

Gli elettrofori, questo il loro vero nome, appartengono infatti all’unica specie esistente del genere Electrophorus ed la loro denominazione scientifica corretta è Electophorus electricus.

Questi pesci tipici di tutta l’America Meridionale sono predatori che possono raggiungere i due metri e mezzo di lunghezza e i 20kg di peso. Sono pesci aerobi obbligati, altra particolarità, e circa ogni 10 minuti devono emergere per respirare aria.

Vivono in acque torbide caratterizzate da una scarsa visibilità. Per ovviare a questo problema le anguille elettriche, come altri pesci elettrofori, sono dotate di un organo elettrico debole che utilizzano per orientarsi e individuare le prede: generando un campo elettrico debole sono in grado di percepire perturbazioni all’interno del campo stesso date dal transito di altri animali.

È probabile che proprio da questo organo elettrico debole si sia evoluta l’arma letale rappresentata dall’organo elettrico forte che forma circa l’80% del corpo dell’anguilla elettrica. Questo organo specializzato è in grado di genereare scariche nell’ordine delle centinaia di Volt! Le scariche, comunque, durano meno di 2 millisecondi e hanno un’intensità ridotta (circa 1A). È quindi improbabile che un uomo adulto possa rimanere ucciso da un attacco di un anguilla elettrica.

Breve stacco: nel video sottostante un’anguilla elettrica viene usata per illuminare un albero di Natale.

Tornando seri. L’organo elettrico che, come detto, occupa gran parte del corpo dell’animale (gli organi vitali sono concentrati vicino alla testa) è formato da cellule muscolari specializzate chiamate elettrociti.

Gli elettrociti sono impacchettati e orientati all’interno dell’organo elettrico formando una struttura simile ad una pila di Volta (tra l’altro sembra che sia Galvani e che Volta siano stati ispirati proprio da studi condotti sull’anguilla elettrica).

Ciascun elettrocita possiede un lato liscio a contatto con le fibre nervose e rivolto verso la coda dell’animale, ed un lato frastagliato orientato verso la testa. I canali ionici presenti sulle membrane dei due lati della cellula permettono all’elettrocita di creare una differenza di potenziale tra l’interno e l’esterno della membrana che si aggira intorno ai 0.15V.

In sostanza ciascuno elettrocita, grazie ai canali ionici, si carica in pararello di una piccola differenza di potenziale.

Quando rileva una preda il sistema nervoso dell’anguilla elettrica manda un segnale alle terminazioni nervose in contatto con ciascun elettrocita. Con una quasi perfetta simultaneità (i cui meccanismi sono ancora poco chiari) migliaia di elettrociti si scaricano in serie, sommando i loro piccoli potenziali individuali fino a raggiungere valori impressionanti intorno ai 400-600V (un fenomeno analogo a quello di un generatore di Marx).

La corrente elettrica fluisce così attraverso il corpo dell’elettroforo dalla coda verso la testa diffondendosi poi nell’ambiente circostante grazie agli ioni disciolti nell’acqua (rientrando poi nella coda dell’anguilla elettrica e chiudendo il circuito).

Per i piccoli animali di cui l’elettroforo si nutre non c’è scampo…

Visti i meccanismi alla base della fisiologia dell’anguilla elettrica sorge però un altro dubbio: perché l’anguilla elettrica non rimane folgorata dalla propria corrente?

La domanda è legittima e la risposta non è scontata. Anzi, si può dire che non si sappia con certezza come mai l’elettroforo non sia soggetto alla propria scarica elettrica.

Le ipotesi in merito sostengono che in realtà le anguille elettriche prendano effettivamente la scossa, ma che abbiano sviluppato una sorta di resistenza (per esempio percependo lo shock ma non provandone dolore) oppure la particolare conformazione anatomica (con gli organi vitali impacchettati vicino alla testa)  garantisce all’animale un isolamento elettrico che lo protegge dallo shock.

Chiudo con una nota divertente. Cercando articoli per scrivere questo post mi sono imbattuto in QUESTO splendido falso articolo scientifico in cui le caratteristiche dell’anguilla elettrica vengono confrontate con le analoghe capacità del topo elettrico… il famoso P. pikachu!

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Curiosità: l’uomo che desidera essere paraplegico

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La storia di oggi arriva dalle pagine del New Scientist e precisamente dalla rubrica Mindscapes, inaugurata recentemente e dedicata ai disturbi neurologici più strani ed in un certo modo misteriosi.

Si tratta del racconto della vita del signor Sean O’Connor, affetto da un raro disturbo neurologico chiamato “disturbo dell’identità dell’integrità corporea” o più semplicemente BIID (dall’inglese body integrity identify disorder) che lo induce a pensare che i propri arti non appartengano effetivamente al proprio corpo.

Mr O’Connor, pur essendo un uomo molto razionale e privo di qualsiasi patologia motoria, afferma:

“Ho tentato di rompermi la schiena, ma ho fallito. Ho bisogno di essere paraplegico, paralizzato dalla vita in giù […] Non odio le mie gambe… solamente le sento…sbagliate. Sono cosciente che sono come la natura ha previsto che siano, ma provo un intensa sensazione di disagio nell’essere in grado di percepire e muovere le mie gambe”

Il primo caso diagnosticato di BIID risale al XVIII secolo quando un chirurgo francese fu obbligato, contro la propria volontà e sotto la minaccia di una pistola, ad amputare la gamba sana ad un inglese. Successivamente il chirurgo ricevette un lauto compenso e una lettera di ringraziamento per la rimozione di “un arto che rappresentava un insormontabile ostacolo alla mia felicità”.

Oggi sappiamo che questo disturbo si divide in due tipi: c’è chi vuole paralizzare una parte del proprio corpo e c’è chi desidera l’amputazione di uno o più arti. Il disturbo, inoltre, può non riguardare solo gli arti ma colpire anche altre parti del corpo, con persone che vorrebbero diventare sorde o cieche.

Ma quali sono le ragioni neurologiche che stanno alla base di un simile disturbo?

Nel 2011 all’Università della California un team guidato dal celebre Professor Vilayanur S. Ramachandran ha analizzato l’attività cerebrale di quattro soggetti affetti da BIID. I ricercatori, toccando l’arto che il paziente desiderava venisse amputato, hanno notato una riduzione nell’attivazione di una regione chiamata lobo parietale superiore destro. Questa regione, affermano i ricercatori, è fondamentale per creare una “sensazione coerente di possedere un corpo”.

Schema rappresentativo del telencefalo umano

Il nostro cervello odia essere confuso. Quando le persone affette da questo disturbo vengono toccate non riescono ad incorporare il messaggio tattile. Quindi, per rimuovere questo senso di confusione, il cervello rifiuta l’arto nella sua totalità.

Ramachandran e colleghi suggeriscono come alcune persone possano nascere con un cervello dotato di una mappa del corpo imperfetta o incompleta. In sostanza alla base del disturbo vi sarebbe uno sviluppo sbagliato o incompleto delle reti neuronali che ci permettono di percepire i nostri arti come parti del nostro corpo.

È stato dimostrato che l’amputazione o l’induzione alla paralisi risolvono effettivamente il disagio provato da queste persone. Entrambe le pratiche sono però illegali ed eticamente deprecabili. Per evitare di dover ricorrere a scelte così estreme i ricercatori, ed il buonsenso, suggeriscono di impegnarsi per trovare una terapia neurologica efficace.

A questa malattia, infine, sono stati dedicati un documentario nel 2004 intitolato “Whole” e un film di black-humor nel 2010 dal titolo Armless”. Quest’ultimo racconta la storia di uomo che vaga in cerca di un dottore disposto ad amputargli entrambe le braccia. Qui di seguito il trailer:

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