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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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L’insetto Transformer e perché gli animali non hanno le ruote.

Insetti… transformer?

Osservando la Natura sembra che l’Uomo in fin dei conti abbia inventato ben poco di originale.

Pipistrelli e delfini hanno evoluto, in modo indipendente tra loro, perfetti eco-scandagli milioni di anni prima che arrivassero i nostri radar, i semi di acero hanno anticipato (e forse ispirato) le pale degli elicotteri. Per non parlare poi della meraviglia delle valvole cardiache o del sistema di lenti degli occhi.

Semi di acero

E la lista si allunga sempre più grazie alle nuove scoperte.  In una ricerca pubblicata recentemente su Science e ripresa dalla rubrica Zoologger del NewScientist  viene descritto un incredibile sistema di ingranaggi individuato nelle gambe di un insetto e osservabile in questo video:

Issus coleoptratus è un piccolo omottero ben noto per i suoi salti prodigiosi con tempi di reazione nell’ordine dei millisecondi e velocità che raggiungono i 4 metri al secondo. Grazie a questo nuovo studio si è capito come siano proprio queste strutture ad ingranaggi ad essere alla base di queste incredibili performance atletiche.

Tramite questi ingranaggi dentati, infatti, il piccolo insetto è in grado di coordinare il movimento delle proprie zampe in modo estremamente efficiente. I ricercatori dell’Università di Cambridge e dell’Università di Bristol che hanno firmato l’articolo hanno calcolato che le due zampe si muovono con uno sfasamento reciproco di appena 30 microsecondi. Un livello di sincronizzazione che batte qualsiasi riflesso neuronale.

Quindi anche gli animali possono avere anche degli ingranaggi. Ma perché non hanno le ruote? Del resto la ruota è uno delle conquiste di cui andiamo più fieri. Perciò se è veramente un sistema di locomozione così efficiente, perché la Natura non ha le ruote?

Questa sembra una domanda bizzarra ma è già stata affrontata niente meno che da Sir Richard Dawkings, uno dei padri del Neo-Darwinismo (e inventore del termine “meme”, oggi così inflazionato in Rete).

Dawkings affronta il “problema delle ruote” in un articolo del 1996 dal titolo “Why don’t animals have wheels?” e liberamente consultabile il pdf QUI.

Prima di tutto non è vero che la Natura non ha “inventato” la ruota. Il flagello dei batteri, infatti, viene mosso grazie ad un sistema che altro non è che un rotore che gira indefinitamente intorno ad un asse, come si vede bene in questo video:

Quindi la domanda corretta dovrebbe essere: perché animali di certe dimensioni non hanno le ruote?

Semplicemente perché forse non sono in fondo così vantaggiose. Per muoversi sui terreni sconnessi tipici di un qualsiasi ambiente naturale gambe e zampe sono di gran lunga più efficienti di qualsiasi ruota.

Ed è proprio qui la chiave del problema.

La ruota è realmente efficiente solo grazie ad un’altra invenzione precedente: la strada.

Senza una superficie liscia sulla quale scorrere liberamente una ruota è difatti poco funzionale.

La domanda successiva quindi è: perché gli animali non hanno inventato le strade? Del resto una strada non è niente di così più complesso di un nido d’uccello o di una diga di un castoro.

Diga di castori.

Dawkings risponde a questo secondo quesito utilizzando la teoria del Gene Egoista che l’ha reso famoso.

Costruire una strada non è un gesto abbastanza egoista e per questo è sfavorito dalla selezione naturale. Una strada, una volta costruita, può essere utilizzata da chiunque, anche da chi non ha partecipato a costruirla.

Per questo motivo i costruttori saranno sempre penalizzati in quanto pagheranno a pieno il prezzo della costruzione della strada, mentre altri individui potranno utilizzarla senza aver speso alcunché e risparmiando così energie per altre attività fondamentali come nutrirsi o riprodursi. Gli utilizzatori non costruttori saranno sempre favoriti nella lotta alla sopravvivenza.

Oltre agli svantaggi dati dalla selezione darwiniana esistono anche effettivi problemi tecnici. Sviluppare una struttura che ruoti in modo autonomo intorno ad un asse è complesso, soprattutto se deve essere fatta crescere e deve essere poi raggiunta da vasi sanguigni e nervi. Anche immaginando che il prodotto finale sia effettivamente realizzabile, l’evoluzione non va dal niente al tutto in un solo salto. I passaggi evolutivi sono graduali. Come dovrebbero essere gli intermedi tra una zampa e una ruota? Probabilmente sarebbero in ogni modo troppo svantaggiosi da essere selezionati come caratteri ereditari.

Quindi,  forse non vedremo mai un vero e proprio animale Transformer ma per una volta, e tralasciando i flagelli dei batteri (che non penso si offenderanno), possiamo andar fieri di una nostra invenzione originale.

Chiudo consigliandovi un canale di YouTube di divulgazione scientifica veramente ben fatto e che ha già affrontato il problema degli animali con le ruote in questo video:

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Sperimentazione animale: una protesta dagli inizi del ‘900.

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Sfogliando un libro di Fisiologia Cardiovascolare mi sono imbattuto in una testimonianza direttamente dagli inizi del XX secolo. Si tratta di un fatto collegato ai primi pionieristici studi elettrocardiografici.

L’elettrocardiogramma (ECG) è un potente strumento diagnostico non invasivo (ne doloroso) che rende possibile misurare e valutare l’attività elettrica cardiaca grazie all’uso di elettrodi posti a contatto con la pelle del soggetto. Tutti noi lo conosciamo e si tratta di un metodo di rilevazione così noto e diffuso che chiunque ha visto almeno una volta il tipico tracciato di registrazione dell’elettrocardiogramma:

tipico tracciato ECG

La tecnica fu sviluppata agli inizi del ‘900 grazie agli studi indipendenti di Willem Einthoven a Leiden in Olanda e di Augustus Waller a Londra. Quest’ultimo dimostrò l’efficacia di questa tecnica innovativa in una pubblica esibizione nel 1909 di fronte ai membri della Royal Society.

Va sottolineato come i primi strumenti per misurare l’ECG fossero macchinari laboriosi e privi dei moderni elettrodi a contatto da applicare sulla pelle. Per questa ragione il soggetto/paziente doveva immergere mani e piedi in soluzioni di acqua e sale comune per permettere la conduzione del segnale elettrico dall’individuo allo strumento di misurazione.

Uno dei primi macchinari per ECG. Le mani e i piedi sono immersi in soluzioni di acqua e sale per permettere la conduzione del segnale elettrico.

Per la sua pubblica dimostrazione Waller utilizzò come soggetto il suo cane, un bulldog adulto di nome Jimmy (i cani hanno un tracciato simile a quello umano), immergendo le zampe dell’animale in vasi con acqua e sale e proiettando su uno schermo la registrazione del battito cardiaco.

Il cane Jimmy con le zampe immerse in soluzioni saline.

Nonostante l’evidente semplicità dell’esperimento completamente indolore (e al massimo un po’ noioso per Jimmy) questa dimostrazione suscitò all’epoca numerose proteste, dettate da una mancata comprensione della dimostrazione, che arrivarono fino alle Camere del Parlamento inglese.

L’edizione del Times del 9 Luglio 1909 riporta le lamentele di Mr Ellis Griffith, membro del Parlamento, che interroga il Segretario di Stato del Ministero dell’Interno Mr Goldstone in merito alla dimostrazione pubblica di Waller.

Il parlamentare inglese si chiede se l’esperimento sia stato in qualche modo doloroso per il cane Jimmy e se questo non abbia violato in qualche modo il Cruelty to Animal Act del 1876. Mr Griffith argomenta evidenziando come il cane fosse immobilizzato tramite:

“un cinturino di pelle con chiodi affilati legato intorno al collo, con le zampe immerse in vasi di vetro contenenti dei sali in soluzione, e i vasi connessi a dei galvanometri tramite cavi”

La risposta del Segretario di Stato Mr Goldstone denota un’ironia tipicamente inglese mista a sano buonsenso:

“Da quanto ho capito il cane è stato fermo per un po’ di tempo in acqua alla quale era stato aggiunto cloruro di sodio, o in altre parole sale comune. Se il mio onorevole amico ha mai sguazzato nel mare conoscerà la sensazione. Il cane, un bulldog adulto ben sviluppato, non era né legato né dotato di museruola. Indossava un collare di cuoio ornato con borchie d’ottone. Se l’esperimento fosse stato doloroso il dolore sarebbe stato senza dubbio immediatamente percepito da coloro che si trovavano nelle immediate prossimità del cane.”

La risposta di Mr Goldstone è piena di ironia ma lodevole in quanto tende a sdrammatizzare un problema ache in realtà non sussiste. Le affermazioni più emotive che razionali (il cinturino con i chiodi per indicare un comune collare ornamentale) di Mr Griffith, invece, ricordano le tante argomentazioni che si sentono tutt’ora da coloro che condannano l’uso di animali nella ricerca scientifica a priori senza prima approfondire le ragioni e le effettive implicazioni degli esperimenti criticati.

Una parte dell’articolo originale pubblicato dal Times si può trovare su Physiology the servant of medicine pubblicato dallo stesso Waller nel 1910 e consultabile QUI in pdf.

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