La super-tecnica del nuoto dei tonni

Un sistema unico di controllo delle pinne che indica un nuovo ruolo per il sistema linfatico nei vertebrati

[28 luglio 2017]

Un meccanismo naturale che può ispirare nuove superfici di controllo smart  per  veicoli aerei e subacquei , il Il tonno rosso (Thunnus thynnus) sfreccia nel mare come un jet in cielo ed entrambi sono costruiti per avere alte prestazioni, resistenza e velocità. Proprio come gli aeroplani più veloci hanno ali e flap posizionati per garantire manovrabilità, precisione e risparmiare combustibile, il tonno rosso ha il massimo controllo sulle strutture propulsive e stabilizzanti mentre solca veloce l’oceano.

Secondo lo studio  “Hydraulic control of tuna fins: A role for the lymphatic system in vertebrate locomotion”, pubblicato su Science  da un team di ricercatori della Stanford University e del Monterey Bay Aquarium, l’eccezionale manovrabilità la locomozione precisa di questi potenti pesci sono rese possibili da una specializzazione vascolare unica tra i vertebrati: il controllo idraulico pressurizzato delle pinne.

Studiando i movimenti anatomici, fisiologici, locomotori e delle pinne del  tonno rosso e del tonno pinne gialle  (Thunnus albacares) del Pacifico, i ricercatori scoperto un sistema idraulico biologico nelle pinne mediane, le grandi alette a forma di falce posizionate sopra e sotto del corpo del tonno.

Il principale autore dello studio, il biologo Vadim Pavlov dell’Hopkins marine station della Stanford University, sottolinea che «Gli animali sono fonti emozionanti di eleganti soluzioni di ingegneria in aeronautica e idrodinamica. Quello che abbiamo scoperto in questi tonni è diverso dagli  altri sistemi idraulici animali. E’ un complesso muscolo-vascolare che integra il sistema linfatico, i muscoli scheletrici e le ossa delle pinne. Abbiamo dimostrato che nei tonni e nei loro veloci parenti questa complessa funzionalità consente di generare una pressione idraulica che consente di regolare la forma delle alette. Espandendo o ritirando le pinne dorsali e anali, alterano le forze fisiche generate dalle pinne, permettendo la manovrabilità».

Alla Stanford aggiungono che «La capacità del tonno di spostare rapidamente e con precisione queste alette mediane con un meccanismo idrodinamico può essere un vantaggio nello svolgere manovre intraprese durante la ricerca delle prede, l’alimentazione e il nuoto su lunga distanza, dove un’attenta spesa energetica è fondamentale». Questo sistema di controllo idraulico potrebbe migliorare il design delle navi e dei veicoli autonomi, molti dei quali già imitano l’elegante design della forma del corpo del tonno.

Da più di 10 anni Barbara Block, Charles ed Elizabeth Prothro della Stanford e i loro  colleghi del Monterey Bay Aquarium studiano i tonni rossi del Pacifico in un gigantesco acquario. «Siamo rimasti tutti affascinati guardando la bellezza delle forme e del funzionamento di questi maestosi pesci attraverso il vetro del Monterey Bay Aquarium». E’ così che i ricercatori si sono accorti che, crescendo e raggiugendo quasi i 150 Kg  i tonni adeguavano le loro pinne pettorali, quelle mediane e la coda ed è così che le pinne dei tonni sono diventate il centro di diversi progetti di tirocinio alla Stanford, che hanno riguardato il nuoto del tonno rosso. Ma il mistero delle pinne mediane è stato risolto solo con l’arrivo di Pavlov che  ha identificato un’insolità cavità – sinus – piena di liquido sotto la base delle pinne dorsali e anali mediane. Una struttura che è rimasta un mistero fino a che lo scienziato si è reso  conto che questo sistema di canali vascolari, muscoli e ossa sembra essere l’analogo biologico di un normale sistema idraulico: «I muscoli pressurizzano il liquido, che aiuta a cambiare la forma e la posizione delle pinne per il controllo del nuoto e della manovra», spiegano ancora alla Stanford.

Uno degli autori dell studio, Benyamin Rosental dell’Institute for stem cell biology and regenerative medicine della Stanford University School of Medicine, conferma che «La scoperta è stata inaspettata. Pavlov ha trovato questa zona sinusale nelle pinne e nelle strutture associate e mi ha invitato a vedere se è legato al sistema linfatico. Penso che ci siamo resi conto piuttosto presto che si trattava di una nuova ricerca e di un sistema unico».

Per identificare l’origine dell’ingresso vascolare nel sistema idraulico e la sua connessione al sistema linfatico, il team  ha adottato un approccio multidisciplinare: i ricercatori  hanno registrato video del nuoto del tonno blu e del tonno giallo del Pacifico, rendendosi conto dei sottili cambiamenti nell’angolo di attacco delle alette mediane. Il filmato ha permesso loro di stabilire in che modo il tonno cambia ‘area e la forma di queste pinne per eseguire diverse manovre. Con simulazioni di computer model, il team ha anche dimostrato come il fluido scorre sul tonno, influenzando le forze generate dalla pinna alle diverse velocità di nuoto.

Confermae che il sistema idraulico faceva parte del sistema linfatico del tonno, è stato un altro compito impegnativo: «Sebbene i sistemi linfatici siano essenziali per la funzione immunitaria, il liquido linfatico non era stato scoperto in precedenza come liquido idraulico nella locomozione», sottolineano i  ricercatori che hanno effettuato esami dettagliati sui canali vascolari all’interno delle pinne, hanno studiato la struttura microscopica dei tessuti e hanno testato il cellular makeup del fluido all’interno di questa vasculatura, il che ha dimostrato che era fluido linfatico.

«I vasi linfatici – spiegano ancora gli scienziati statunitensi – sono normalmente piccoli e difficili da distinguere a occhio nudo, ma nel tonno vengono trasformati in un sistema specializzato di grandi vasi e canali nelle pinne mediane. Con un sistema linfatico che funziona come fluido idraulico, la pressione aumentata in questi canali influenza la posizione e, probabilmente, la rigidità della pinna che insieme alterano le proprietà idrodinamiche delle pinne». La capacità di regolare rapidamente le posizioni delle pinne permette al tonno di non sbilanciarsi durante il nuoto veloce e limita la perdita di energia durante lunghe migrazioni.

Il tonno ha numerosi adattamenti morfologici, fisiologici e comportamentali per spostarsi rapidamente attraverso la colonna d’acqua e una sofisticata fisiologia che include un metabolismo elevato, un sistema cardiovascolare unico e sangue caldo. Tutte caratteristiche che richiedono un sistema linfatico ben sviluppato per mantenere l’equilibrio idrico nei tessuti e proteggere l’organismo dall’infezione. Ora, nell’evoluzione della fisiologia del tonno possiamo anche includere questa funzione idraulica unica.

La Block fa notare che «I principali esempi di bio-idraulica vengono da animali invertebrati come molluschi, crostacei e meduse- E’ inusuale osservare la locomozione bio-idraulica in animali vertebrati, che prevede l’integrazione di strutture muscolari, fluide e ossee. A nostra conoscenza, questo meccanismo evolutivo dei pesci non è mai stato segnalato e poteva restare nascosto se non fosse stato per la possibilità di vedere questi pesci in azione in cattività. Questo getta luce su quanto non sia trasparente il nostro regno oceanico e quanto ci sia ancora da scoprire».

Pinne dorsali e anali sono orientate verso l’alto e verso il basso e sono coinvolte nel controllo della postura del corpo e delle traiettorie di nuoto. Quindi, queste pinne mediane producono forze di sollevamento laterali. Il team ha scoperto che la biomeccanica delle pinne mediane del tonno si allinea ai tre elementi di un normale sistema idraulico: i muscoli servono da pompa idraulica per creare pressione nei recipienti vascolari e  i fluidi per guidare e controllare il sistema e le pinne che agiscono come attuatori per convertire l’energia da pressione in energia meccanica.

Bloc evidenzia che «Il meccanismo naturale del controllo idraulico delle pinne potrebbe essere molto attraente nella progettazione di nuove superfici di controllo intelligenti con forma e rigidità mutevoli. Questo potrebbe, ad esempio, migliorare la manovrabilità degli aerei e dei veicoli subacquei senza equipaggio».

Rosental spera di continuarela ricerca su questa rete linfatica per vedere se le strutture interne servono allo stesso scopo immunologico dei linfonodi nei mammiferi. Nell’ambito della continua ricerca sulla fisiologia e sulla biomeccanica del tonno, il laboratorio della Block e il Tuna research and conservation center del  Monterey Bay Aquarium stanno attualmente inserendo sui tonni high-tech camera tags con sensori di movimento per comprendere meglio la cinematica del loro nuoto.

Videogallery

  • Tuna feeding at the Tuna Research and Conservation Center