Centinaia di milioni di anni fa, antenati molto, molto distanti di umani - e di tutti gli animali terrestri con ossa e quattro arti posteriori - avevano questa capacità di respirare l'acqua, ma si perse dopo che le prime creature che respiravano aria iniziarono a vivere sulla terra a tempo pieno . Oggi, gli esseri umani possono solo respirare in acqua usando attrezzature speciali - o in film come "Aquaman" (Warner Bros. Pictures), sui personaggi dei fumetti con abilità subacquee uniche.
La tradizione dei fumetti spiega in che modo il film ibrido mezzo umano e mezzo atlantideo Aquaman (Jason Momoa) e tutti i suoi cugini atlantici dall'aspetto umano possono respirare nelle profondità dell'oceano - le "branchie" sono menzionate, anche se non sono visibili, e i dettagli sono lasciati all'immaginazione dello spettatore. Ma come respirano esattamente le creature del mondo reale nei loro ambienti acquosi?
Accade che ci sia molto ossigeno disciolto nella maggior parte dei mari, laghi e fiumi del pianeta, anche se i nostri polmoni che respirano aria semplicemente non riescono a elaborarlo. Ma gli abitanti delle acque del mondo hanno sviluppato diversi altri metodi per accedere all'ossigeno nell'acqua, gli esperti hanno detto a Live Science.
Un'antica tecnica
Alcuni animali come le meduse assorbono l'ossigeno nell'acqua direttamente attraverso la pelle. Una cavità gastrovascolare all'interno dei loro corpi ha un duplice scopo: digerire il cibo e spostare ossigeno e anidride carbonica in giro, ha detto a Live Science Rebecca Helm, assistente professore all'Università della Carolina del Nord, Asheville.
In effetti, le prime forme di vita microbica della Terra che utilizzavano l'ossigeno lo ottennero allo stesso modo delle gelatine, attraverso la diffusione. Questa forma di respirazione probabilmente è apparsa circa 2,8 miliardi di anni fa, "qualche tempo dopo che i cianobatteri hanno iniziato a pompare ossigeno nell'atmosfera", secondo lo scienziato oceanico Juli Berwald, autore di "Spineless: The Science of Jellyfish and the Art of Growing a Backbone" (Riverhead Libri, 2017).
"Poiché hanno solo uno strato cellulare esterno e uno strato cellulare interno e le loro parti interne sono gelatinose e non hanno cellule, non hanno bisogno di ossigeno quanto gli animali che hanno dei veri tessuti all'interno", ha detto Berwald a Live Science in un'email.
Tuttavia, ci sono anche degli svantaggi nel "respirare" attraverso la diffusione.
"È molto più lento rispetto all'utilizzo di un sistema circolatorio per portare l'ossigeno in vaste aree del corpo. Ciò probabilmente significa che esiste un limite su come possono crescere grandi meduse", ha aggiunto Berwald.
Metodo back-door
La respirazione attraverso la diffusione dell'ossigeno sulla superficie corporea si trova anche negli echinodermi, un gruppo di animali marini che comprende stelle marine, stelle marine, ricci di mare e cetrioli di mare.
Le stelle marine assorbono l'ossigeno mentre l'acqua scorre su dossi sulla loro pelle chiamati papule e attraverso scanalature in altre strutture chiamate piedi tubolari, lo zoologo invertebrato Christopher Mah, un ricercatore del Museo Nazionale di Storia Naturale Smithsonian di Washington, DC, ha detto a Live Science.
Alcuni tipi di cetrioli di mare poco profondi, tuttavia, hanno un diverso tipo di adattamento specializzato per la respirazione: una struttura ad "albero" respiratoria situata nella cavità del corpo vicino all'ano. Mentre l'apertura rettale del cetriolo aspira acqua nel suo corpo, l'albero respiratorio estrae ossigeno ed espelle l'anidride carbonica.
"Espira letteralmente dal culo", ha detto Mah.
Un "progetto di base"
Nei pesci, le branchie hanno dimostrato di essere un sistema efficace per la respirazione, usando una rete di vasi sanguigni per aspirare ossigeno dall'acqua corrente e diffonderlo attraverso le membrane delle branchie, secondo il Northeast Fisheries Science Center.
Sulla maggior parte dei pesci, le branchie hanno "lo stesso progetto di base", ha detto a Live Science Solomon David, un professore assistente presso il Dipartimento di Scienze Biologiche della Nicholls State University in Louisiana.
"Sono fatti per avere questo scambio di controcorrente di gas: estrarre ossigeno e rilasciare rifiuti", ha detto David. Quando i pesci restano a bocca aperta, creano una corrente d'acqua che scorre sulle loro branchie. Il tessuto rossastro e altamente vascolarizzato aspira ossigeno ed espelle l'anidride carbonica, "un po 'come i capillari nei nostri alveoli", ha detto.
Tuttavia, le branchie non sono esattamente tutte uguali. La loro struttura può variare tra le specie per soddisfare le loro esigenze di ossigeno, secondo David. Le branchie di un tonno a nuoto veloce, per esempio, varieranno in qualche modo da quelle di un pesce che è un predatore bugia e aspetta, come un luccio di alligatore.
"Se sei un predatore attivo sempre in movimento, avrai branchie diverse per richieste di ossigeno più elevate", ha detto David.
La forma delle branchie può anche variare tra individui della stessa specie, a seconda delle condizioni di ossigeno nell'acqua in cui vivono, ha aggiunto. Gli studi hanno dimostrato che i pesci possono adattare la loro morfologia delle branchie quando il loro habitat acquatico viene inquinato; nel tempo, i loro filamenti di branchia diventano più condensati, per resistere ai contaminanti nell'acqua.
Alcuni anfibi acquatici hanno anche branchie - strutture ramificate che si estendono verso l'esterno dalle loro teste. Questo è un tratto larvale negli anfibi che scompare quando la maggior parte delle specie matura, ma le salamandre acquatiche come le sirene mantengono queste branchie esterne nell'età adulta, Kirsten Hecht, un ecologo acquatico con la School of Natural Resources and Environment dell'Università della Florida, ha detto a Live Science in un'email.
I polmoni - un gruppo di pesci che respirano aria e acqua usando una vescica natatoria modificata - hanno anche branchie esterne quando sono giovani ", ma quasi tutte le specie di pesci polmonari li perdono prima di raggiungere l'età adulta", ha detto Hecht.
Articolo originale su Scienza dal vivo.
