Elasmobranchii

Nuoto e galleggiamento

Solitamente i pesci mantengono l'assetto nell'acqua con la vescica natatoria; gli elasmobranchi, a differenza di molti pesci ossei, sono privi di vescica natatoria, quindi utilizzano strategie alternative per il galleggiamento. Lo scheletro interno completamente cartilagineo, essendo meno pesante e meno rigido di uno scheletro osseo, agevola i movimenti e aiuta nel galleggiamento. La pinna caudale eterocerca determina, durante il nuoto, una spinta dal basso verso l'alto, estremamente utile in nuotatori pelagici privi di vescica natatoria, favorendo il galleggiamento. Le sostanze lipidiche hanno una densità inferiore a quella dell’acqua e la loro presenza negli organismi marini riduce la loro densità favorendo il galleggiamento; la strategia di accumulare lipidi nel proprio organismo per favorire il galleggiamento è tipica degli squali. Molti elasmobranchi mantengono l'assetto mediante grandi fegati che contengono grandi quantità di olio. Questo olio può anche fungere da riserva nutriente in mancanza di cibo. Gli squali che vivono in acque profonde sono oggetto di pesca industriale per il loro olio, perché il fegato di queste specie può arrivare a pesare fino al 20% del peso totale di un individuo.

Diverse specie di squali hanno un fegato particolarmente voluminoso (fino al 30% del peso corporeo), il cui contenuto lipidico molto elevato (80%) è costituito prevalentemente da squalene, un idrocarburo isoprenoide a catena lineare, sintetizzato a partire dall’acetato. Lo squalene viene sintetizzato nel fegato di tutti i vertebrati, ma di solito non si accumula perché viene utilizzato per la sintesi del colesterolo. Nel fegato di questi squali, invece, lo squalene viene accumulato perché viene inibita la sua trasformazione in squalene 2,3-epossido e lanosterolo, i precursori del colesterolo. Essendo privi di vescica natatoria, lo squalene è fondamentale per il galleggiamento, anche se non è l’unico fattore. Secondo recenti ricerche, infatti, il galleggiamento degli squali è favorito anche dalle elevate concentrazioni di urea e di ossido di trimetilamina (TMAO). Anche se questi due composti hanno una densità inferiore a quella dell’acqua marina e favoriscono indirettamente il galleggiamento, la loro presenza nei fluidi extracellulari degli elasmobranchi ha la funzione di equilibrare l’elevata pressione osmotica dell’acqua marina. I DAGE, a differenza dei triacilgliceroli, hanno un legame alchilico sul carbonio 1 del glicerolo e una densità minore. Essi sono abbondanti componenti dell’olio di fegato di diverse specie di squali. Nell’olio di fegato dello squalo di profondità Centrophorus squamosus i DAGE ammontano al 79% e Centroscymnus plunketi ne ha il 76,6%. Lo spinarolo (Squalus acanthias) può regolare il galleggiamento modificando il metabolismo dei DAGE e dei triacilgliceroli durante le migrazioni verticali. Diversamente dalle specie pelagiche, gli elasmobranchi che vivono sul fondo, come le razze, hanno un fegato di dimensioni ridotte (7%), il cui contenuto lipidico è inferiore al 50%. Una strategia alternativa per ridurre la densità corporea prevede l’assunzione di aria. Alcune specie, come lo squalo toro (Carcharias taurus), favoriscono il galleggiamento ingoiando aria e trattenendola all’interno dello stomaco.

Alimentazione

Negli elasmobranchi il canale alimentare è breve ma l'esigenza di assimilare al massimo il nutrimento ha portato allo sviluppo di una particolare struttura, la valvola a spirale, consistente in un rilievo a elica, utile ad alimentare la superficie di assorbimento e il tempo di permanenza degli alimenti nel canale alimentare.

Respirazione

Gli elasmobranchi respirano attraverso le branchie. Le branchie degli elasmobranchi sono delle strette camere definite branchie settate: le lamelle primarie sono sostenute da setti cartilaginei. Ciascuna delle lamelle primarie porta a sua volta numerose lamelle secondarie altamente vascolarizzate. Il setto branchiale corre lungo tutto il filamento branchiale. Negli elasmobranchi le aperture degli archi branchiali sono “nude”, visibili, non c’è l’opercolo che le protegge come nei pesci ossei, quindi c’è una connessione diretta tra le branchie e l’ambiente esterno.

In genere gli elasmobranchi sono muniti di 5 aperture branchiali per lato, ci sono solo poche eccezioni rappresentate da squali con caratteristiche primitive che sono provvisti di 6 o 7 fessure branchiali (per questo chiamati Hexanchiformes).

I selacimorfi (squali) hanno le branchie poste lateralmente, mentre i batoidei (razze, pastinache, torpedini, aquile di mare, mante) hanno le branchie poste ventralmente.

Esistono importanti differenze anatomiche e fisiologiche nel sistema respiratorio degli elasmobranchi a seconda che questi siano specie bentoniche (che contraggono rapporti con il substrato) o pelagiche (che nuotano attivamente in mare aperto).

Gli elasmobranchi sono spesso muniti di un’apertura provvista di valvola, lo spiracolo, che connette la cavità buccale con l’esterno. Lo spiracolo è utilizzato come pompa aspirante, come via d’ingresso per l’acqua insieme alla bocca o in alternativa ad essa nel caso il pesce stia mangiando o riposi nel fondo. Lo spiracolo è utile soprattutto alle specie bentoniche, che stazionano molto sul fondo, come razze, pastinache e squali tappeto, la cui bocca è quasi sempre a contatto con il substrato e con i sedimenti che lo ricoprono. Le razze e le pastinache, specie bentoniche di fondo con bocca e branchie grandi e ventrali, quindi a contatto con il fondo, sono provviste infatti di spiracoli eccezionalmente grandi, attraverso i quali la maggior parte dell’acqua entra nella faringe e ventilano le loro branchie. Un grosso spiracolo in questi animali, in cui la bocca e le branchie sono sempre a contatto con il fondo e quindi con il sedimento, garantisce una respirazione efficiente. Le specie bentoniche sono capaci di riposare sul fondo grazie all’apertura e chiusura di spiracoli molto pronunciati (respirazione a pompa).

Il meccanismo di respirazione è completamente diverso per le specie pelagiche che nuotano attivamente. Alcuni veloci nuotatori pelagici, come gli squali della famiglia del lamnidi quali ad esempio lo squalo bianco (Carcharodon carcharias), lo squalo mako (Isurus) e lo smeriglio (Lamna nasus), aprono la bocca dopo aver raggiunto una certa velocità e usano il movimento in avanti, prodotto dai muscoli del tronco e dai muscoli della coda, per dirigere l’acqua attraverso le branchie. In questi squali quindi è necessario muoversi costantemente per poter respirare: uno squalo pelagico non potrà mai riposare sul fondo come fanno le specie bentoniche, proprio perché non riuscirebbe a respirare. Questo tipo di ventilazione viene chiamato ram ventilation. Gli squali che usano questa modalità di ventilazione hanno ridotto o perduto secondariamente gli spiracoli.

Nelle specie pelagiche sono i muscoli della bocca che controllano la respirazione, mentre nelle specie bentoniche è principalmente l’apertura e la chiusura degli spiracoli. Il flusso di acqua nelle branchie degli elasmobranchi è garantito dall’attività dei muscoli della cavità orale. In una prima fase, la bocca e gli spiracoli si aprono mentre le fessure branchiali vengono chiuse da specifiche valvole. La contrazione dei muscoli coracomandibolari fa espandere la faringe riducendo la pressione al suo interno. Questa depressione, agendo come una pompa aspirante, richiama dall’esterno l’acqua che attraverso la bocca invade la faringe e le camere branchiali. Nella seconda fase, la bocca e gli spiracoli si chiudono, la faringe e le camere branchiali vengono compresse dalla contrazione dei muscoli adduttori della mandibola, le fessure branchiali si aprono e l’acqua viene spinta all’esterno passando in strati sottili lungo le fessure interposte tra due lamelle vicine. La cavità buccale, in pratica, agisce sia come una pompa aspirante sia come una pompa di lavoro, determinando un flusso di acqua unidirezionale.

Il flusso di sangue nei vasi delle lamelle secondarie ha una direzione opposta a quella del flusso di acqua, realizzando uno scambio dei gas in controcorrente. Le specie pelagiche che nuotano attivamente possono assicurare un flusso continuo di acqua attraverso le branchie tenendo costantemente aperte durante il nuoto la bocca e le camere branchiali (ventilazione dinamica), mentre nelle forme che vivono nei fondali e hanno la bocca posta ventralmente (razze), la maggior parte dell’acqua fluisce attraverso spiracoli particolarmente grandi.

Per realizzare gli scambi respiratori, uno squalo pelagico espande il volume della cavità buccale creando una depressione che richiama acqua nella bocca. Oltre che attraverso la bocca, l’acqua può entrare attraverso gli spiracoli. Lo squalo quindi chiude la bocca e solleva il pavimento della cavità buccale forzando l’acqua ad attraversare le fessure branchiali dove sono disposti gli archi branchiali che sostengono i filamenti branchiali dove avvengono gli scambi dei gas. Molti squali pelagici, come lo squalo bianco (Carcharodon carcharias), sono costretti a muoversi continuamente per poter soddisfare il loro fabbisogno di ossigeno. La respirazione avviene grazie alla propulsione in avanti del pesce (respirazione propulsiva), il cui movimento continuo serve, appunto, per alimentare una circolazione ininterrotta d’acqua attraverso le branchie. Quando sono privati della capacità di nuotare, questi condroitti sono destinati ad una lenta morte in agonia per asfissia.

Osmoregolazione

Gli elasmobranchi sono osmoconformi, sono quindi un’eccezione nei vertebrati che sono in grande parte osmoregolatori. Per vivere nell’ambiente marino gli elasmobranchi hanno evoluto una soluzione singolare. Un aspetto molto interessante degli adattamenti degli elasmobranchi è la strategia adottata per mantenere costante la concentrazione dei sali dei liquidi interni: la produzione di un'urina ipotonica (i reni assorbono con molta efficienza urea e sali) e la presenza di sangue ipertonico (sopporta una concentrazione elevata di urea e ossido di trimetilammina) evitano la disidratazione. L'acqua viene direttamente assorbita dalle branchie per osmosi ed è direttamente utilizzabile per la formazione di urina.

La concentrazione ematica dei sali inorganici nei fluidi interni è più bassa di quella dell’acqua di mare, ma nonostante questo la pressione osmotica del loro sangue è uguale ad essa o poco superiore grazie alla presenza di diversi osmoliti organici quali l’urea e altri osmoliti come l’ossido di trimetilamina (TMAO). La concentrazione ematica di urea negli elasmobranchi può essere anche 100 volte superiore a quella dei mammiferi perché, una volta sintetizzata in seguito al catabolismo delle proteine, essa viene riassorbita attivamente nei reni. L’elevato contenuto di colesterolo delle cellule branchiali, inoltre, riduce la loro permeabilità all’urea impedendone l’escrezione. Gli elasmobranchi convertono l’ammoniaca in urea che viene eliminata dalle branchie e in parte trattenuta in quantità sufficiente ad equilibrare la pressione osmotica del plasma con quella dell’acqua di mare.

Gli osmoliti organici presenti nei fluidi degli elasmobranchi (urea e TMAO)  mantengono il plasma isosmotico con l’acqua di mare, nonostante la sua concentrazione ionica sia diversa. Elevate concentrazioni di urea non sono tollerate dai vertebrati, perché un eccesso riduce la funzionalità delle proteine. Negli elasmobranchi, tuttavia, grazie alla presenza del TMAO le proteine non mostrano alterazioni funzionali. Molti tessuti, addirittura, non riescono a funzionare normalmente se la concentrazione di urea è troppo bassa. In assenza di urea, ad esempio, il cuore degli elasmobranchi cessa di battere. Negli elasmobranchi la sintesi di TMAO avviene nel fegato. Il contenuto di TMAO nel muscolo aumenta in funzione della profondità, mentre i livelli di altri osmoliti si riducono.

Gli organi coinvolti nella regolazione dell’osmoregolazione degli elasmobranchi sono le branchie, i reni e la ghiandola rettale.

Tolleranza all'acqua dolce

Esiste qualche eccezione alla regola, come lo squalo leuca (Carcharhinus leucas), che è in grado di cambiare le sue funzioni renali in modo da espellere grandi quantità di urea e sopravvivere in acqua dolce. La capacità degli elasmobranchi di entrare nelle acque dolci è piuttosto limitata, poiché il loro sangue è salato (in termini di resistenza osmotica) quanto l'acqua di mare, a causa dell'accumulo nei tessuti di urea e ossido di trimetilammina, ma gli squali leuca che vivono in acqua dolce riescono a ridurre la concentrazione di questi soluti fino al 50%. Perfino in questo modo necessitano di produrre venti volte più urina di quanto non facciano i loro simili che vivono in acqua salata.

Sistema nervoso

Tra tutti gli elasmobranchi, i batoidei sono il gruppo che possiede la maggiore massa cerebrale e sono infatti altamente complessi che sfruttano raffinati sistemi sensoriali per attuare comportamenti sociali avanzati.

Percezione dell'ambiente

Come la maggior parte dei predatori, anche gli elasmobranchi necessitano di sensi sviluppati per individuare, spesso a notevoli distanze, le loro prede, che a loro volta hanno evoluto strategie di difesa e camuffamento tra le più variegate per nascondersi dai loro predatori. Gli elasmobranchi, in funzione del loro stile di vita predatorio, hanno così evoluto dei meccanismi di percezione dell'ambiente molto sofisticati, nella maggior parte dei casi funzionali alla ricerca delle loro prede e all'orientamento nell'ambiente circostante. I sensi più avanzati sono quelli della ricezione chimica, dell'olfatto, del gusto e dell'elettroricezione.

Meccanoricezione: la linea laterale

Lo stesso argomento in dettaglio: Linea laterale.

La linea laterale è un sistema sensoriale caratteristico dei pesci. Essa è composta da una serie di organi ricettori disposti lungo i fianchi dell'animale. Forma una riga visibile ad occhio nudo che parte dagli spiracoli e raggiunge la coda. Questi recettori, chiamati neuromasti, sono costituiti da un gruppo di cellule ciliari ricoperte da una "cupola" gelatinosa.

Ricezione dei suoni: il sistema uditivo

Tutti i pesci per motivi idrodinamici non hanno un orecchio esterno, ma soltanto un orecchio interno, costituito da tre organi otolitici, il sacculo, la lagena e l’utricolo deputati alla ricezione dei suoni, e da tre canali semicircolari che costituiscono l’organo dell’equilibrio. All’interno degli organi otolitici è presente la macula, l’epitelio sensoriale costituito da migliaia di cellule cigliate orientate in diverse direzioni e immerse in un liquido chiamato endolinfa in cui è sospeso un otolite, composto da carbonato di calcio e da una matrice organica (proteica), meccanicamente accoppiato alla macula da una sottile membrana. Il fascio di ciglia della superficie apicale delle cellule cigliate è costituito da un chinociglio e numerose stereociglia e proietta nello stretto spazio tra la macula e l’otolite. La macula dell’orecchio dei pesci è stimolata dal suono attraverso l’azione di un principio di inerzia. Quando viene emesso un suono, si crea un’onda pressoria che urta contro la superficie del corpo e determina uno spostamento dell’otolite che si verifica con un certo ritardo, a causa della sua densità più elevata e della mancanza di legami. Il movimento dell’otolite provoca la deflessione delle stereociglia che, se avviene nella direzione del chinociglio, depolarizza la cellula. Questa depolarizzazione è seguita da un aumento di eccitazione delle fibre nervose afferenti che trasmettono l’informazione sensoriale ai centri nervosi superiori. Attraverso questo meccanismo, definito stimolazione diretta dell’orecchio, i pesci riescono a recepire una gamma di suoni a bassa frequenza, compresi tra 100 e 1.000 Hz (gamma ottimale, 200–600 Hz).

Nell’orecchio interno degli elasmobranchi, oltre ai tre organi otolitici e ai canali semicircolari, è presente una struttura che non compare negli altri pesci, la macula negletta. Si ritiene che questa struttura, provvista di cellule cigliate ma priva di otolite, sia deputata esclusivamente al rilevamento dei suoni. Negli altri organi l’otolite è composto da una matrice gelatinosa contenente numerosi cristalli di carbonato di calcio. Gli elasmobranchi sono in grado di udire con l’orecchio interno suoni a bassa frequenza compresi tra 10 e 800 Hz, ma possono percepire suoni di frequenze comprese tra 50 e 150 Hz attraverso gli organi della linea laterale. L’orecchio degli elasmobranchi ha un’altra caratteristica esclusiva. Dal sacculo emerge un dotto cartilagineo pieno di endolinfa, il dotto endolinfatico, che tramite un piccolo foro (poro endolinfatico) termina direttamente sulla superficie esterna (dietro gli occhi), mettendo in comunicazione diretta le strutture dell’orecchio interno con l’ambiente esterno. Si ritiene che tale connessione possa facilitare il trasferimento delle onde sonore dall’esterno fino al sacculo.

Alcuni squali svolgono il ruolo di spazzini del mare anche grazie all’udito, tramite il quale possono distinguere il suono di un pesce che nuota regolarmente da uno malato che nuota in modo scomposto.

Fotorecezione: il sistema visivo

Contrariamente a quanto si riteneva fino a qualche tempo fa, gli elasmobranchi hanno una vista molto sofisticata. Lo sviluppo della vista è maggiore nelle specie pelagiche, anche se la lente sferica del cristallino è adatta per la messa a fuoco solo di oggetti vicini. L’occhio degli elasmobranchi ha caratteristiche comuni a tutti i vertebrati ma la pupilla, diversamente dai pesci ossei, si può dilatare o restringere per regolare l’entrata della luce. Il cristallino contiene pigmenti (microsporine) che trattengono i raggi ultravioletti ed è provvisto di muscoli protrattori che lo spostano in avanti per mettere a fuoco le immagini. La coroide, in prossimità della retina, è costituita dal tappeto lucido (tapetum lucidum), uno strato di cellule ricche di cristalli di guanina che riflettono la luce, in intimo contatto con cellule pigmentate provviste di melanosomi. In presenza di luce intensa, le cellule pigmentate emettono processi protoplasmatici sulla superficie delle cellule ricche di cristalli di guanina causando l’assorbimento dei raggi luminosi che hanno attraversato la retina (adattamento alla luce). Al buio, i processi protoplasmatici delle cellule pigmentate si ritraggono, scoprendo la superficie delle cellule a guanina che riflettono i raggi di luce di nuovo verso i fotorecettori (adattamento al buio).

L'occhio degli elasmobranchi può essere protetto da membrana nittitante, una terza palpebra trasparente che può essere calata sopra l'occhio per proteggerlo ed idratarlo mantenendo comunque la visibilità.

Sebbene nella retina degli elasmobranchi il numero dei bastoncelli sia molto più elevato di quello dei coni, in diverse specie (come i pesci chitarra della famiglia Rhinobatidae, o lo squalo elefante Cetorhinus maximus) è stata dimostrata la presenza di coni provvisti di fotopigmenti che sono sensibili a diverse lunghezze d’onda della luce (477, 502 e 561 nm), suggerendo la capacità di visione dei colori. Rispetto agli squali che frequentano le acque costiere (fino a 300 metri), quelli che vivono in acque mesopelagiche (300-1.000 metri) hanno occhi più larghi per favorire l’ingresso della luce, una pupilla molto larga e perennemente dilatata e un tappeto lucido sempre esposto. Il cristallino, inoltre, contiene pigmenti (microsporine) che trattengono i raggi UV, anche se alle profondità normalmente frequentate da questi squali i raggi UV non arrivano. In realtà, le microsporine aumentano il contrasto tra la luce presente nell’ambiente e quella verde-blu emessa dalle prede bioluminescenti, il cui profilo può essere più facilmente rilevato dai fotorecettori dello squalo.

Un adattamento unico che comporta capacità visive eccellenti è quello degli squali martello (Sphyrnidae). La testa dello squalo martello presenta delle espansioni laterali piatte, alla cui estremità sono posti gli occhi, dotati di notevole mobilità. La disposizione laterale degli occhi aumenta notevolmente il campo visivo consentendo di avere una visione a 360° (davanti, dietro e di lato), e la visione binoculare (visione stereoscopica) consente una migliore percezione della profondità. Il notevole movimento degli occhi, inoltre, riduce le aree buie ed estende il campo visivo.

Chemioricezione: il sistema olfattivo e gustativo

Come in tutti gli altri vertebrati, il senso dell'olfatto negli elasmobranchi è localizzato nelle fosse nasali. A differenza dei vertebrati terrestri, negli elasmobranchi così come negli altri pesci non esiste alcun contatto diretto tra il sistema olfattivo e il sistema respiratorio, e sia negli elasmobranchi sia nei pesci ossei gli organi olfattivi sono costituiti da una coppia di camere olfattive disposte simmetricamente sulla testa.

Negli elasmobranchi il naso ha una funzione esclusivamente olfattiva. Gli elasmobranchi sono anfirini, provvisti cioè di due narici. Negli elasmobranchi le camere olfattive sono poste sulla superficie ventrale della testa, mentre nei pesci ossei sono poco al di sotto della superficie dorsale della testa, di fronte agli occhi. Ogni camera comunica con il mezzo esterno attraverso una narice anteriore da cui entra l’acqua e una narice posteriore da dove l’acqua esce. ciascuna narice immette in un sacco olfattivo a fondo cieco, tappezzato da epitelio olfattivo pieghettato. Ciascuna narice è divisa in due parti da un lembo cutaneo sorretto da un asse cartilagineo. Attraverso le due aperture si instaura un flusso d'acqua che bagna l'epitelio olfattivo L’epitelio olfattivo è localizzato sul pavimento o sulle pareti laterali della camera olfattiva ed è costituito da un certo numero di lamelle (da 1 a 300, a seconda della specie) che formano una sorta di rosetta. Ogni lamella comprende due strati di epitelio, separati da uno strato di tessuto connettivo, costituito da neuroni olfattivi, cellule di sostegno secernenti muco, cellule epiteliali cigliate e cellule basali che sostituiscono i neuroni olfattivi che degenerano. Tra i neuroni olfattivi, un tipo è molto sensibile agli aminoacidi derivati in genere da biomasse in decomposizione o da animali feriti, mentre un altro tipo risponde a sostanze coinvolte con il comportamento riproduttivo (ormoni sessuali che sincronizzano la deposizione delle uova e l’emissione di spermatozoi) o migratorio (sali biliari). Le cellule mucose producono muco, che si stratifica sulle lamelle e intrappola le molecole odorose che si devono legare ai siti recettoriali, mentre le cellule cigliate, attraverso il movimento continuo delle ciglia mantengono un flusso continuo di acqua attraverso l’epitelio olfattivo, limitando l’adattamento dei recettori.

Il sistema olfattivo degli elasmobranchi è il più sviluppato tra i pesci ed è importante nella localizzazione delle prede. Negli squali la non eccezionale acutezza visiva è compensata da un senso dell'olfatto particolarmente sviluppato. Alcune specie di squali sono in grado di percepire una molecola di sangue fra un miliardo di molecole d’acqua, grazie a sensibili chemiorecettori situati all’interno di due piccole sacche poste sotto il muso dell’animale. Per localizzare il cibo gli squali confrontano tra loro per tipo e intensità gli stimoli raccolti dalle due narici. I lobi olfattivi degli squali costituiscono più del 15% dell’intero cervello, e si calcola che circa i 2/3 dei neuroni cerebrali siano coinvolti nella elaborazione delle informazioni olfattive. I recettori olfattivi posizionati nelle narici, hanno una sensibilità che appare leggendaria: uno squalo riesce a captare una parte di estratto di pesce diluita in 1 milione di parti di acqua. Per individuare esattamente la posizione di un’eventuale preda o la direzione di provenienza di sostanze odorose, gli squali nuotano muovendo repentinamente la testa da una parte all’altra e in questo modo facilitano l’ingresso e l’uscita di acqua nelle cavità nasali, dove le cellule recettrici rilevano la presenza di sostanze alimentari nell’acqua (aminoacidi, ecc.) anche a concentrazioni molto basse.

Maggiore è la distanza tra le narici, migliore sembra essere la sensibilità olfattiva. Negli squali martello (Sphyrnidae) la camera olfattiva si estende per gran parte delle espansioni laterali, realizzando una superficie percettiva particolarmente ampia.

Oltre che per la ricerca del cibo, negli elasmobranchi l'olfatto può essere importante anche per il comportamento sessuale: le femmine ricettive producono feromoni sessuali che attirano e stimolano i maschi a seguirle e ad accoppiarsi.

Per quanto riguarda il gusto, i sapori vengono avvertiti prima che l'alimento venga ingoiato: i bottoni gustativi, infatti, sono localizzati (come in tutti i pesci) all'esterno della bocca e lungo il corpo.

Elettroricezione: le ampolle di Lorenzini

Lo stesso argomento in dettaglio: Ampolle di Lorenzini.

Gli elasmobranchi sono in grado di percepire campi elettrici a bassa intensità (battito cardiaco o contrazione muscolare di altri organismi), anche a distanza. Questi animali sono provvisti di recettori che servono a percepire il movimento di cariche elettriche.

Gli elettrorecettori degli elasmobranchi sono dei recettori di tipo ampollare e sono detti ampolle di Lorenzini, strutture concentrate nel muso degli elasmobranchi e in grado di apprezzare correnti elettriche di bassissima intensità (0,005 microvolt/cm) che possono emettere prede ferite, in movimento o nascoste sotto la sabbia.

Le ampolle di Lorenzini sono organi fatti a forma di ampolla, sono dei canalini che si collegano all’ambiente esterno attraverso un poro, il canale è costituito nelle pareti da cellule epiteliali a giunzione stretta, quindi l’impulso elettrico non viene dissipato nell’epidermide circostante, sul fondo dell’ampolla ci sono cellule cigliate con terminazioni afferenti, quindi lo stimolo nervoso è trasferito da queste cellule verso il sistema nervoso centrale. Il canale e l’ampolla sono riempiti di una sostanza gelatinosa che ha un ruolo molto importante nella trasmissione dell’impulso elettrico, perché costituita da sostanze conduttrici di corrente elettrica. Questi elettrorecettori consentono agli elasmobranchi di percepire campi elettrici a bassa intensità, come ad esempio il battito cardiaco o la contrazione muscolare di altri organismi, come dei pesci che potrebbero rappresentare le loro prede. Gli squali e le razze infatti utilizzano questi elettrorecettori principalmente a scopo predatorio per la ricerca della preda. Alcuni studi dimostrano che gli squali si affidino molto più all’elettroricezione piuttosto che all’udito o alla vista nella ricerca della preda.

Negli squali martello (Sphyrnidae) la particolare conformazione della testa schiacciata e ampia con vistose espansioni laterali migliora la capacità di localizzazione elettrica; l'intera struttura è infatti ricca di ampolle di Lorenzini, che permettono all'animale di individuare campi elettrici emessi da altri organismi viventi: il muso a martello conferisce allo squalo martello una maggiore superficie, incrementando di 10 volte la sua capacità di ricezione rispetto a quella degli squali dalla testa affusolata, consentendo loro di captare segnali elettrici deboli fino a un mezzo milionesimo di volt.

Di recente i ricercatori hanno stabilito che nelle popolazioni di pastinache i maschi si servono degli elettrorecettori per riuscire ad individuare le compagne che si nascondono nel fondale.

Magnetoricezione: l'induzione elettromagnetica

Molte specie di squali possono nuotare per molti chilometri in mare aperto. Lo squalo salmone Lamna ditropis si sposta dalle coste dell’Alaska all’oceano Pacifico subtropicale mentre il grande squalo bianco (Carcharodon carcharias), oltre che migrare regolarmente dalle isole Hawaii alla California, compie trasferimenti dal Sudafrica all’Australia e ritorno percorrendo circa 20.000 chilometri.

Per spiegare come gli squali possano percorrere tanti chilometri senza perdere la rotta è stata invocata l’induzione elettromagnetica. L’induzione elettromagnetica è il meccanismo proposto per spiegare come gli elasmobranchi rilevino il campo magnetico terrestre: il movimento dell’animale attraverso le linee di forza del campo magnetico della Terra genera delle deboli correnti elettriche indotte che sono rilevate dalle ampolle di Lorenzini.

Una particella carica che si muove attraverso un campo magnetico incontra una forza perpendicolare sia al suo movimento sia alla forza del campo. L’ampiezza di questa forza è uguale al prodotto della forza del campo magnetico, la carica e la velocità delle particelle e il seno dell’angolo tra il movimento e i vettori del campo. In generale, un conduttore che si muove in un campo magnetico produce un campo elettrico proporzionale alla forza del campo magnetico e alla relativa velocità del conduttore. Uno squalo che nuota attraverso il campo magnetico terrestre è paragonabile a un magnete che si muove in un mezzo conduttore (acqua salata), e nel suo corpo (che è un conduttore) viene indotta una corrente elettrica. Quindi se una barra di un conduttore elettrico si muove attraverso un campo magnetico in direzione diversa da quella parallela alle linee del campo, le particelle con cariche negative o positive migrano ai lati opposti della barra inducendo una corrente costante che dipende dalla velocità e dalla direzione del movimento della barra rispetto al campo magnetico.

Nella regione cefalica degli elasmobranchi sono presenti dei pori che, attraverso canali pieni di gel, comunicano con le ampolle di Lorenzini, dove sono disposti elettrorecettori in grado di rilevare campi elettrici deboli. Assimilando i canali pieni di gel delle ampolle a barre conduttrici e l’acqua salata circostante a un mezzo conduttore immobile, si può ipotizzare che le elevate resistività e sensibilità degli elettrorecettori sul fondo delle ampolle possano rilevare la caduta di voltaggio della corrente indotta dallo squalo durante il nuoto. Uno squalo, quindi, potrebbe utilizzare queste informazioni per navigare in mare aperto, avvalendosi di una “mappa” cerebrale del campo magnetico terrestre per determinare in ogni momento la sua posizione rispetto ad un obiettivo da raggiungere.

L’evidenza diretta che gli elasmobranchi utilizzino l’induzione elettromagnetica per rilevare il campo magnetico terrestre non è stata mai ottenuta, mentre si ritiene che il rumore elettrico di fondo potrebbe sovrapporsi alle deboli correnti rilevate dagli elettrorecettori, la cui sensibilità necessaria per il comportamento migratorio richiederebbe canali ampollari molto lunghi. Tuttavia, esperimenti di condizionamento con magneti esterni su squali e razze hanno confermato che gli elasmobranchi possono rilevare la componente verticale (intensità) del campo magnetico terrestre per acquisire informazioni sul percorso migratorio.

Sulla base di recenti ricerche, inoltre, si ritiene che per rilevare il campo magnetico terrestre gli squali non utilizzino solo il meccanismo dell’induzione elettromagnetica ma possiedano un magnetorecettore associato all’organo dell’olfatto in grado di rilevare i cambiamenti di intensità del campo magnetico. anche se le strutture sensoriali coinvolte e le vie nervose che trasmettono informazioni al cervello sono ancora sconosciute.

Biotossine

Lo spinarolo (Squalus acanthias) è un piccolo squalo di profondità che possiede una o due robuste spine dorsali collegate a ghiandole che secernono una sostanza neurotossica. Le punture provocano un dolore fortissimo e sintomi diversi: febbre, nausea, vomito e difficoltà respiratorie; si conoscono rarissimi casi di morte. Tuttavia, il veleno non rende la sua carne immangiabile: al contrario, è una specie ampiamente commestibile e molto apprezzata in cucina.

Le pastinache o trigoni sono simili alle razze, ma si distinguono soprattutto per la presenza di uno o più aculei velenosi nella coda, alla cui radice sono connesse delle ghiandole velenifere. La coda delle pastinache è sottile e lunga, muscolosa, fatta a frusta, generalmente di lunghezza superiore al diametro discale del corpo della pastinaca. Lo scheletro cartilagineo, oltre a conferire alle pastinache un'elevata manovrabilità, dà alla loro coda la flessibilità sufficiente a sferzare in qualsiasi direzione un potenziale aggressore. Gli acueli di cui è dotata la coda delle pastinache sono di consistenza ossea. Negli esemplari di maggiori dimensioni, l'aculeo può arrivare fino a 35-40 centimetri di lunghezza, ha un profilo dentellato ed è rivestito da una guaina epiteliale. Alla radice dell'aculeo si trovano due ghiandole velenifere che secernono una sostanza composta dagli enzimi 5-nucleotidasi e fosfodiesterasi, che distruggono le cellule, e da serotonina, che provoca contrazioni muscolari. L'azione di tale complesso enzimatico è necrotizzante e a questo si unisce la possibilità di infezioni batteriche anche gravi. La parte scheletrica degli aculei è seghettata con punte rivolte all'indietro, ed è solcata dai canali di due ghiandole velenifere produttrici di ittioacantossina. Il tutto è ricoperto da una cuticola, che nell'impatto con l'aggredito si rompe e consente al veleno di diffondersi nella ferita. Anche l'aculeo abitualmente si spezza, trattenuto dalla seghettatura nella carne dell'aggressore; in poco tempo sulla coda ne ricrescerà uno nuovo. L'aculeo produce un dolore fortissimo dovuto al veleno inoculato, il dolore si diffonde dalla zona colpita anche a quelle circostanti; i margini della ferita tendono a diventare bluastri. Le possibili conseguenze sono nausea, vomito, diarrea, difficoltà circolatorie e respiratorie e collasso. Se l'aculeo sulla coda è molto lungo e trafigge un organo vitale o recide un'arteria, il decorso può arrivare a essere mortale anche per un uomo adulto, come è già capitato.

Riproduzione

Gli elasmobranchi sono tutti caratterizzati da fecondazione interna. Negli elasmobranchi esistono diverse modalità riproduttive: possono essere ovipari, ovovivipari o vivipari. Gli ovipari depongono le uova nell’ambiente, mentre ovovivipari e vivipari partoriscono individui già formati. Negli ovovivipari i piccoli si nutrono del tuorlo dell’uovo, mentre nei vivipari vi è la formazione di una sorta di placenta. Gli elasmobranchi sono tipicamente poco prolifici, con una media tra i 2 e i 12 cuccioli partoriti a stagione riproduttiva. Questo aspetto, insieme al raggiungimento tardivo della maturità sessuale, li rende particolarmente vulnerabili.

Negli elasmobranchi i sessi sono sempre separati ed esiste dimorfismo sessuale: i maschi sono generalmente più piccoli e portano due organi copulatori (pterigopodi) derivati dalle pinne pelviche modificate.

Lo sperma è introdotto nelle vie genitali femminili per mezzo di due organi copulatori maschili. I maschi degli elasmobranchi hanno infatti una coppia di organi copulatori, gli pterigopodi (claspers), che si differenziano al margine posteriore interno delle pinne pelviche. Gli pterigopodi, che servono come organi intromittenti utilizzati per incanalare sperma nella cloaca della femmina durante l'accoppiamento, sono sostenuti da un pezzo cartilagineo allungato derivato dalla trasformazione di un raggio della pinna, scavato a doccia, che permette lo scorrimento dello sperma. L'atto di accoppiamento di solito prevede che uno degli pterigopodi resti sollevato per permettere all'acqua di entrare nel sifone attraverso un orifizio apposito. Il clasper viene quindi inserito nella cloaca, dove si apre come un ombrello per ancorare la sua posizione. Il sifone poi comincia a contrarsi espellendo acqua e sperma.

Durante l'accoppiamento, solo uno dei due pterigopodi viene inserito nell'apertura genitale femminile e in alcune specie l'apice è in grado di aprirsi in modo da mantenere dilatato l'ovidotto e facilitare il passaggio dello sperma. Esso viene spinto unitamente ad acqua di mare precedentemente aspirata da particolari sacche muscolari. L'accoppiamento può precedere l'ovulazione anche di un mese; lo sperma viene conservato dalle femmine in apposite ghiandole nidamentali.

Molte specie di elasmobranchi ovipari, che depongono le uova, producono capsule ovigere molto caratteristiche, provviste di guscio corneo, che possono assumere forme molto diverse.

Classico è l'esempio dei gattucci (Scyliorhinus) e di molte razze (raiformi), che producono uova rettangolari, con filamenti spiraliformi su ciascun angolo, utili per ancorare le uova su supporti bentonici del fondale quali ad esempio alghe, spugne erette o gorgonie. Queste capsule ovigere sono comunemente chiamate "borsellino della sirena" (in inglese mermaid's purse) e spesso possono venire trovate arenate nelle spiagge.

La dimensione di queste sacche può variare da 5 centimetri (come nel caso del gattuccio, Scyliorhinus canicula) a circa 10 (nel caso del gattopardo, Scyliorhinus stellaris). Sulla parte terminale della sacca sono presenti dei filamenti, solitamente quattro, che servono ad ancorare la sacca agli scogli o, più comunemente nel caso degli squali del genere Scyliorhinus, ai rami di gorgonia. I colori delle sacche variano di specie in specie, da bianco-giallo traslucido a nero.

La sacca contiene sempre un solo uovo fertilizzato. La gestazione dei pesci può variare da 6 a 12 mesi, ma può essere anche più lunga se le sacche vengono deposte in acque fredde.

Il nome "borsellino della sirena" deriva dalla credenza popolare secondo cui questi oggetti erano utilizzati dalle sirene per custodire i loro tesori. Queste creature mitologiche sono infatti famose per amare i gioielli e le monete rubati agli sfortunati che si inoltrano in mare aperto, dove è più difficile nuotare. Secondo alcune leggende, inoltre, le ovocapsule sarebbero in grado esaudire ogni desiderio di chi le trova o donargli poteri magici.

In generale, l'embrione possiede, già ad un precoce stadio di sviluppo, delle branchie esterne che consentono di catturare ossigeno e sali minerali dall'acqua che passa attraverso il guscio. Questo particolare adattamento degli embrioni ha agevolato l'instaurarsi di condizioni di ovoviviparità e viviparità in molte specie di elasmobranchi.

Ovoviviparo è, per esempio, lo spinarolo (Squalus acanthias) il cui utero può contenere molte uova fecondate, che si sviluppano completamente a spese del proprio sacco vitellino: dopo circa 22 mesi di gestazione possono nascere fino a 10 piccoli lunghi circa 25 cm.

Un esempio di viviparità, in cui l'embrione riceve nutrimento dalla madre ma non tramite la placenta, si ha in alcuni batoidei e nei grossi squali pelagici (per loro non sarebbe immediato reperire substrati idonei alla deposizione delle uova): l'utero è in grado di secernere sostanze nutritive che integrano il nutrimento ricevuto dal sacco vitellino. Le dimensioni della nidiata possono variare da due a più di 100 in alcune verdesche (Prionace glauca).

Alcune specie presentano il fenomeno dell'oofagia e/o dell'adelfofagia, in cui gli embrioni nati per primi mangiano o le altre uova o gli altri fratelli più piccoli.

Ruolo ecologico e importanza nell'ecosistema

Ogni specie vivente ha una sua nicchia ecologica e un suo ruolo nell’habitat che occupa; alcune, però, possono essere considerate specie chiave. Spesso gli elasmobranchi occupano posizioni chiave negli ecosistemi: molti di essi sono predatori apicali e, in quanto tali, aiutano a mantenere sotto controllo le popolazioni delle loro prede, contribuendo all’equilibrio di tutta la catena alimentare.

Nelle acque costiere delle regioni tropicali, gli squali sono i predatori apicali delle barriere coralline, e in quanto tali svolgono un ruolo ecologico essenziale per il funzionamento di questo ecosistema. Tra le specie più diffuse nelle barriere coralline vi sono gli squali grigi come lo squalo pinna bianca (Triaenodon obesus), lo squalo pinna nera (Carcharhinus melanopterus) e lo squalo grigio del reef (Carcharhinus amblyrhynchos), lo squalo limone (Negaprion brevirostris), alcuni squali di abitudini bentoniche come lo squalo zebra (Stegostoma tigrinum), gli squali nutrice (Ginglymostomatidae), gli squali bambù (Hemiscylliidae) e gli squali tappeto (Orectolobidae).

Gli squali che frequentano le barriere coralline non sono predatori pelagici di pesci di acque aperte, ma si nutrono essenzialmente di pesci più piccoli e di altri animali dei reef corallini. Di conseguenza, questi predatori rivestono un ruolo ecologico molto importante per il funzionamento delle barriere coralline, poiché tengono sotto controllo le popolazioni dei consumatori primari e secondari. Senza gli squali e la loro fondamentale attività predatoria, le popolazioni di molte specie di pesci crescerebbero, andando ad alterare l'equilibrio ecologico dell'ecosistema della barriera corallina, perché si assisterebbe ad esempio ad una crescita di pesci consumatori di coralli o di altri invertebrati bentonici, o di pesci predatori di altri pesci erbivori, e quindi di conseguenza ad un calo delle popolazioni delle specie che occupano ranghi più bassi della catena alimentare. La mancanza degli squali nelle barriere coralline comporterebbe quindi un drastico effetto a cascata su tutta la rete alimentare, con effetti rovinosi sull'intero ecosistema e sulla ricca biodiversità ad esso associata. La salute delle barriere coralline è quindi strettamente associata alla presenza degli squali: una barriera corallina senza squali non è una barriera corallina sana.

Nelle praterie di fanerogame marine tropicali lo squalo tigre (Galeocerdo cuvier) si comporta da specie chiave: predando grossi erbivori pascolatori come i dugonghi (Dugong dugong) e le tartarughe verdi (Chelonia mydas), impedisce che le popolazioni di questi grandi erbivori crescano in modo incontrollato e portino ad una riduzione eccessiva della prateria vegetale, che comporterebbe un drastico calo della diversità associata alla comunità e ad una perdita di importanti servizi ecosistemici. Popolazioni sane di superpredatori come lo squalo tigre quindi contribuiscono in modo essenziale a mantenere ad un livello sano il popolamento di praterie di fanerogame marine.

Alcune specie di squali fanno da “spazzini”, nutrendosi principalmente di organismi morti o morenti, diminuendo così anche la trasmissione di malattie nell’ambiente, un po’ come fanno gli avvoltoi sulla terraferma.

Pesca di elasmobranchi

Negli ultimi decenni vi è stato un forte declino in tutto il mondo di molte specie di elasmobranchi, dovuto soprattutto alla pesca industriale che, spesso, li cattura accidentalmente insieme ad altre specie di interesse commerciale. In altri casi sono proprio squali e affini l’obiettivo di pesca: essi, infatti, vengono consumati come cibo in molti luoghi del mondo, compresa l’Italia.

Secondo una stima pubblicata nell'ottobre 2006 sulla rivista Ecology Letters, ogni anno dai 26 ai 73 milioni di squali sono uccisi durante battute commerciali o ludiche di pesca. In passato sono circolate cifre vicine ai 100 milioni, ma una stima media più accurata sembra attestarsi attorno alla comunque notevole cifra di 38 milioni di capi uccisi ogni anno. Secondo le stime della FAO la pesca riguarda una biomassa di squali compresa tra i 0,39 e i 0,60 milioni di tonnellate l'anno. Vi sono vari motivi che spingono l'uomo alla pesca di squali. In passato ad esempio avveniva che gli squali fossero uccisi semplicemente per il gusto di riportare a terra un pesce che fosse un grande combattente (ciò accadeva ad esempio allo squalo mako pinna corta, Isurus oxyrinchus).

Come è noto inoltre, la pelle degli squali è ricoperta di dentelli dermici, una specie di minuscoli denti, che sono usati come surrogato della carta abrasiva o nella forgiatura delle katane. Altri squali sono pescati per la loro carne, come lo spinarolo (Squalus acanthias), il gattuccio (Scyliorhinus canicula), il gattopardo (Scyliorhinus stellaris), il palombo (Mustelus mustelus), la verdesca (Prionace glauca), lo squalo mako pinna corta (Isurus oxyrinchus), lo smeriglio (Lamna nasus), lo squalo volpe (Alopias vulpinus) e altri, altri ancora per prodotti vari. La carne di squalo è considerata un alimento comune in molte nazioni del mondo, tra le quali spiccano il Giappone, l'Australia e la Cina.

Anche le razze oggi vengono pescate in tutto il globo in enormi quantità, senza alcun riguardo per le popolazioni di batoidei locali. La razza è molto apprezzata in cucina. Le catture sono controllate in poche regioni e la loro sopravvivenza potrebbe diventare un problema importante secondo l'IUCN, il WWF e altre organizzazioni.

Spinnamento dello squalo

Lo stesso argomento in dettaglio: Spinnamento dello squalo e Zuppa di pinne di squalo.

Un fenomeno brutale è la pratica del cosiddetto spinnamento di squalo (finning), pratica che consiste nel tagliare le pinne agli squali pescati, spesso quando sono ancora vivi, molte volte rigettandoli in mare morenti, per preparare la cosiddetta zuppa di pinne di squalo. Inteso come alimento di lusso, questo piatto è considerato simbolo di salute e prestigio nella cultura cinese. In alcuni settori della società cinese il consumo della pinna di squalo continua a crescere drammaticamente.

Dopo essere stati pescati e spinnati, gli squali a volte vengono rigettati in mare ancora vivi ma senza le pinne. Incapace di nuotare in modo efficace a causa dell'assenza delle pinne che sono loro fondamentali nei movimenti e per dare direzionalità mentre nuotano, gli squali sprofondano nei fondali marini dell'oceano e muoiono per soffocamento o vengono mangiati da altri predatori.

Lo spinnamento dello squalo in mare consente ai pescherecci di incrementare i profitti e la redditività e di aumentare il numero di squali raccolti, poiché devono solo immagazzinare e trasportare le pinne, di gran lunga la parte più costosa dello squalo; la carne di squalo è ingombrante da trasportare e poco redditizia nella vendita rispetto alle pinne. Alcuni paesi hanno vietato questa pratica rendendola illegale e richiedono che l'intero squalo venga riportato sulla terraferma dopo la pesca prima di rimuovere le pinne.

Lo spinnamento degli squali è in aumento dal 1997 in gran parte a causa della crescente domanda dello stesso per la zuppa di pinne di squalo e medicinale per le cure tradizionali, in particolare in oriente e in Cina, e come risultato del miglioramento delle tecniche di pesca e dell'economia di mercato. Il gruppo degli specialisti dello squalo dell'Unione internazionale per la conservazione della natura afferma che il fenomeno è molto diffuso e che "il commercio di pinne di squalo in rapida espansione e in gran parte non regolamentato rappresenta una delle più gravi minacce alle popolazioni di squali in tutto il mondo". Stime sul valore globale del commercio di pinne di squalo si attestano su cifre che vanno da $ 540 milioni a $ 1,2 miliardi (dati del 2007). Le pinne di squalo sono tra i prodotti ittici più costosi, in genere si vendono al dettaglio a $ 400 USD per kg. Negli Stati Uniti, dove lo spinnamento è vietato, alcuni acquirenti considerano lo squalo balena (Rhincodon typus) e lo squalo elefante (Cethorinus maximus) come animale da trofeo e pagano da $ 10.000 a $ 20.000 per una pinna.

La pesca globale regolamentata di squali segnalata all'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura è stata stabile negli ultimi anni, con una media annua di poco superiore alle 500.000 tonnellate. Si ritiene inoltre che il dato sia sottostimato a causa della pesca di frodo che è assai comune.

Per fortuna molte associazioni ambientaliste si stanno mobilitando per porre fine al finning e per far diminuire il consumo di carne dei preziosi elasmobranchi. Animalisti ed ambientalisti hanno denunciato la pratica come brutale, e l'hanno dichiarata uno dei fattori principali che stanno contribuendo al declino globale di molte specie di squalo.

L'acclamato documentario del 2007 Sharkwater mette a nudo gli abusi della pesca di squalo ed i danni che essa causa agli ecosistemi degli oceani. Ha inoltre scoperto corruzione all'interno di alcuni governi che sostengono le industrie legate alla macellazione degli squali.