Alla scoperta dell’Antartide e di alcuni pesci che riescono a vivere nelle fredde acque di questo straordinario continente.

♦ Di Edoardo Batistini ♦

L’Antartide

Continente (14.107.637 km² con le isole e l’ice shelf, di cui 13.720.000 km² coperti da ghiacci) che occupa l’area circostante il Polo Sud ed è compreso quasi interamente entro il circolo polare antartico.

L’Antartide, che è il quinto continente in ordine di grandezza, supera nettamente gli altri continenti per altitudine media (2600 m). È anche la zona più inospitale del pianeta, a causa delle bassissime temperature che si possono raggiungere (a differenza di quanto avviene nell’Artico, la continentalità non consente l’azione “mitigatrice” dell’oceano). Più grande dell’Europa, questo continente di forma pressappoco circolare si trova centrato quasi al Polo Sud, mentre è circondato dai tre oceani dell’emisfero meridionale: Atlantico, Pacifico e Indiano.

Una situazione del tutto opposta si verifica nell’Artide: qui è presente un oceano ghiacciato (l’Oceano Artico) circondato da terre continentali.

Suggeriamo la lettura di: Ghiaccio artico e antartico: Quali sono le differenze?

L’Antartide è più freddo dell’Artide proprio a causa di questa diversa configurazione geografica, a cui va aggiunta l’influenza dell’altitudine: l’enorme coltre ghiacciata che ricopre il continente (circa il 90% del ghiaccio, che corrisponde al 60% dell’acqua dolce di tutto il pianeta, si trova in Antartide) determina un’altitudine media di 2.000/2.400 metri (con vaste zone oltre i 3.000 metri), di gran lunga più elevata che negli altri continenti, dove è di 700/800 metri.

Questi fattori fanno sì che si determini, almeno nei bassi strati, una circolazione atmosferica che non favorisce la penetrazione delle correnti miti oceaniche verso l’interno: le correnti aeree e marine scorrono intorno al continente con un movimento quasi circolare, da ovest verso est (“deriva dei venti occidentali”).

Vi sono anche due grandi mari parzialmente (e permanentemente) ghiacciati, il Mare di Ross e il Mare di Weddell, formati da due baie che penetrano all’interno del continente.

Dimensioni e temperature

Le dimensioni totali della calotta di ghiaccio (quello che ricopre la terraferma più quello marino) variano da circa 14 milioni di Kmq a marzo a circa 22 milioni a settembre: in autunno il ghiaccio avanza di circa 4 km al giorno, e alla fine dell’inverno praticamente tutto il continente è circondato dal ghiaccio marino. Il più grande iceberg distaccatosi dalla distesa ghiacciata misurava 40 km di larghezza per 400 di lunghezza, risultando più esteso del Belgio.

Al Polo Sud (2.800 metri) la temperatura media annua è di -49 °C, quella del mese più caldo (gennaio) di -28 °C, quella del mese più freddo (luglio) di -59,5 °C. I record sono: -83 °C quello del freddo, e -12 °C quello più elevato.

Insieme al record delle basse temperature, l’Antartide detiene anche il record dei venti più forti: non sono rari venti tra i 100 e i 200 Km/h, ma a volte superano anche i 300, con punte di 360 Km/h.

Su questo continente si sono rivolte le attenzioni del mondo sia dal punto di vista biologico-scientifico, sia dal punto di vista economico (estrazione di idrocarburi). L’Antartide rimane una delle zone più incontaminate, il cui suolo, attraverso i carotaggi, può essere studiato per esaminare l’evoluzione della vita sulla Terra durante i millenni. A causa del clima il continente non ha una popolazione vera e propria: le poche migliaia di persone che vi risiedono d’estate e che si riducono notevolmente d’inverno, sono in realtà esploratori o studiosi non stanziali.

La spedizione del 1899

Nel 1899 ci fu la prima spedizione organizzata in Antartide che doveva permettere ad alcuni ricercatori di trascorrere un anno sul continente più freddo del nostro pianeta. Durante questa spedizione i ricercatori capirono che anche l’habitat più freddo al mondo è popolato di pesci: in particolare sono stati osservati gli adattamenti evolutivi dei membri del sottordine dei Nototenioidi, un gruppo di pesci ossei.

Dissostichus mawsoni, chiamato anche “il merluzzo dell’Antartico”, è un pesce appartenente alla famiglia dei Nototeniidi, famoso per la glicoproteina antigelo che produce.
Malgrado il nome, il merluzzo dell’Antartico non è affatto imparentato con i merluzzi. Non appartiene nemmeno al loro stesso ordine, né li ricorda nell’aspetto. Infatti, questo pesce appartiene all’ordine dei Perciformi.

Il primo adattamento che i ricercatori notarono fu la capacità di produrre sostanze dotate di proprietà anticongelanti: composti che sono in grado di abbassare il punto di congelamento dei fluidi interni.

Il secondo adattamento è la capacità di “galleggiamento passivo”, cioè una assenza di peso in acqua, posseduta solo da alcune specie.

Da un punto di vista evolutivo possiamo dire che quando l’Antartide si separò completamente dall’Australia e dalla punta estrema dell’America Meridionale le sue coste e acque furono circondate da vaste estensioni di acque fredde e profonde, che portarono a cambiamenti ambientali molto complessi.

Infatti, è molto probabile che i pesci di acque tropicali siano scomparsi a causa del raffreddamento delle acque, ma non i Nototenioidi.

Un netotenioideo tipico, Trematomus nicolai. Vive, si nutre e si riproduce presso il fondale marino. Il sottordine dei nototeioidei, gruppo di pesci ossei simili ai perciformi, è dominante in Antartide e costituisce circa il 90% della fauna ittica che vive in quest’area.

Il pericolo principale è il ghiaccio

Il pericolo principale per i Nototenioidi non è né il freddo né il buio delle profonde acque dell’Antartide.

La minaccia principale per questi pesci è la presenza del ghiaccio, che penetra molto facilmente nelle branchie e nel tegumento. La maggior parte dei pesci sono “ectotermi”, ossia presentano una temperatura dei fluidi interni che dipende principalmente dalla temperatura esterna, e riescono a sopravvivere fino a quando i loro fluidi si raffreddano ad una temperatura in cui si possono formare cristalli di ghiaccio, temperatura di un grado inferiore al punto di congelamento all’equilibrio. Sappiamo però anche che molti pesci presentano “eterotermia”, cioè sono in grado di regolare la temperatura in alcune aree del corpo e in un range di condizioni molto ampio, solo se nel corpo non entra il ghiaccio.

Nel momento in cui il ghiaccio si trova in condizioni di “sotto-raffreddamento”, di almeno un decimo di grado, il ghiaccio inizia a propagarsi, iniziando a colpire le parti più esposte (branchie e bocca), fino a far congelare i liquidi interni.

Durante la spedizione del 1899 i ricercatori hanno potuto confrontare il ruolo della temperatura per questi pesci: se la maggior parte dei pesci tropicali o di acque temperate subisce il congelamento quando la T esterna è circa -0,8 °C, i Nototenioidi della Baia di McMurdo invece congelano quando la T esterna scende sotto i -2,2 °C.

Quale è il segreto dei Nototenioidi?

Le proteine antifreeze (AFPs)

La sopravvivenza dei pesci antartici dipende da diverse molecole anticongelanti che si trovano nei fluidi interni della maggior parte delle specie di Nototenioidi finora studiate.

La maggior parte di queste molecole che troviamo nei liquidi interni, salvo nell’urina e nell’umor acqueo, sono glicopeptidi.  Le proteine antigelo e le glicoproteine antigelo hanno la caratteristica comune di legarsi al ghiaccio inibendo la sua crescita. Si tratta in genere di glicoproteine, la più diffusa delle quali ha una sequenza di aminoacidi particolarissima, formata dal succedersi di un’unità ripetitiva di tre residui (-Alanina-Alanina-Treonina-) in una struttura lineare: i residui di disaccaride combinati ai residui di Treonina formano ponti-idrogeno con le molecole d’acqua dei microcristalli di ghiaccio appena questi si formano, impedendone la crescita ed il conseguente congelamento. I pesci non adattati non hanno antigelo, e questo è uno dei tanti motivi che ne rendono impossibile la sopravvivenza in questo ambiente.

L’azione delle AFPs sulla superficie del ghiaccio porta ad un abbassamento del punto di congelamento dell’acqua, fino ad arrivare al di sotto del punto di fusione del ghiaccio, portando di conseguenza ad una situazione di non equilibrio tra la fase solida e liquida dell’acqua.

La temperatura a cui si verifica tale situazione viene definita “punto di isteresi termica” misurabile in °C.

Le proteine antifreeze agiscono portando all’inibizione della ricristallizzazione, in particolare quando il ghiaccio si approccia alla temperatura di fusione e diventa più fluido.

Le proteine antigelo conferiscono ai pesci nototenioidi l’abilità di “percepire” e limitare i danni dovuti alla formazione di ghiaccio intracellulare e di sopravvivere a temperature mediamente vicine a -1,9 °C (T di congelamento dell’acqua di mare).

Nello specifico, con quale meccanismo questi glicopeptidi impediscono il congelamento dei pesci della Baia di McMurdo in acque stracolme di ghiaccio?

I ricercatori hanno formulato l’ipotesi che questi anticongelanti potrebbero proteggere i Nototenioidi dal congelamento, aderendo per adsorbimento ai minuscoli cristalli di ghiaccio e inibendone la crescita.

Infatti, hanno scoperto che mentre il ghiaccio è in via di formazione, questi glicopeptidi vengono adsorbiti sulla superficie del ghiaccio; inoltre, hanno visto che il ghiaccio non si propaga sopra queste molecole, quando presenti, ma si accresce solo nei piccoli spazi tra di esse, in modo laterale. Per aggiungere altre molecole di acqua sulla superfice del ghiaccio bisogna che la T del liquido circostante si abbassi ulteriormente.

Secondo un’altra ipotesi i Nototenioidi se posti in acqua priva di ghiaccio non si congelano fino a che la T non ha raggiunto i -6°C; questo dimostra che i cristalli di ghiaccio interni non si formano finché il ghiaccio non penetra dall’esterno. La funzione principale delle proteine antifreeze (AFPs) è quindi quella di impedire al ghiaccio di propagarsi internamente dall’ambiente esterno attraverso la cute.

Isteresi termica: è definita come la depressione della T di congelamento di una soluzione senza variazione della temperatura di scongelamento. Si avrà un intervallo di temperature in cui si supera la T di congelamento ma non si va incontro allo scongelamento. È il risultato diretto del legame di una proteina antigelo alla superficie di un cristallo di ghiaccio.

Adattamenti evolutivi e fisiologici

Le AFPs dei Nototenioidi della Baia di McMurdo sono indispensabili per tutto l’anno e per sintetizzarle hanno bisogno di parecchia energia. Questa energia però devono anche saperla risparmiare durante l’inverno australe, quando la situazione ambientale si fa più critica.

Come ci riescono? Nel 1972 il ricercatore De Vries e il suo studente Gary H. Dobbs III esaminarono al microscopio i reni di 12 specie di Nototenioidi e si accorsero che tutte e 12 le specie non presentavano i glomeruli. Inoltre, scoprirono, marcando gli anticongelanti con isotopi radioattivi, che i reni impediscono a queste molecole di passare nell’urina.

Dopo ulteriori studi, capirono che i Nototenioidi essendo privi di glomeruli producono urina per mezzo di un processo di “secrezione”, che elimina la necessità di una nuova sintesi di anticongelanti e quindi di risparmiare energia: dal sangue vengono estratte solo alcune molecole per essere scartate, lasciando invece in circolazione gli anticongelanti.

Analizzando la specie Bovichthys variegatus, Nototenioide tipico della Nuova Zelanda, De Vries e i suoi collaboratori si accorsero che possedeva in realtà molti glomeruli. Poiché questa specie è considerata la meno specializzata tra i Nototenioidi, ipotizzarono che la non presenza dei glomeruli negli altri Nototenioidi sia in realtà un adattamento evolutivo specializzato per garantire la sopravvivenza in ambiente con temperature più basse.

Galleggiamento passivo

Un ulteriore adattamento evolutivo dei Nototenioidi è il fenomeno del “galleggiamento passivo” o definito anche “assenza di peso”, che ha consentito loro un notevole risparmio di energia.

Questo fenomeno è stato osservato nella specie Dissostichus mawsoni che vive solitamente tra i 300/500 metri di profondità.

Dissostichus, come Pleuragramma antarticum, il più piccolo dei Nototenioidei, presenta un aspetto affusolato, tipico dei pesci di media profondità. Il “galleggiamento passivo” è uno dei principali adattamenti fisiologici: essendo privi di vescica natatoria – l’organo che riempiendosi e svuotandosi di ossigeno è in grado di permettere la risalita verso la superficie o la discesa in profondità – i pesci antartici ne hanno compensato la mancanza modificando le ossa (divenute parzialmente cartilaginee) ed accumulando depositi di grassi. Di conseguenza il loro peso nell’acqua è praticamente nullo, il che riduce moltissimo il consumo di energia durante gli spostamenti.

Infatti, un esame più approfondito su Pleuragramma ha evidenziato che le vertebre di questo pesce sono essenzialmente cave: è presente solo la “notocorda”, un sottile collare osseo che circonda una struttura gelatinosa embrionale che troviamo anche negli individui adulti. Inoltre, sono abbondanti trigliceridi (un tipo di lipidi o grassi con un peso molecolare inferiore rispetto all’acqua di mare) che contribuiscono al “galleggiamento passivo” sia in Dissostichus sia in Pleuragramma.

Chaenocephalus aceratus, conosciuto comunemente come pesce ghiaccio dalla pinna nera (o pesce coccodrillo) è un pesce appartenente alla famiglia Channichthyidae.
  Come le altre specie della famiglia Channichthyidae presenta un’affascinante capacità di adattamento al clima antartico: produce una sorta di “antigelo” che evita il congelamento del sangue, privo di globuli rossi (da cui il colorito pallido).    

Perdita” dei geni

Infine, ultima caratteristica è la “perdita” dei geni che codificano per l’Emoglobina e la Mioglobina: presentano una riduzione di concentrazione della proteina che trasporta ossigeno ai tessuti (emoglobina) e dei globuli rossi, al fine di ridurre la viscosità del sangue. Infatti, quando la temperatura si avvicina allo zero, la viscosità del sangue aumenta e il cuore ha bisogno di molta energia per la funzione circolatoria; i pesci ghiaccio non si possono permettere un consumo di energia così alto. Grazie alle basse temperature, che riescono a rallentare tutti i processi metabolici e che aumentano la solubilità dei gas, le acque in cui si trovano questi organismi sono ricchissime di O2.

Le branchie del pesce ghiaccio C. aceratus appaiono bianche perché il sangue manca di globuli rossi contenenti emoglobina.

Nella famiglia dei Cannictiidi, gli unici vertebrati al mondo che hanno eliminato del tutto l’emoglobina dal sangue, troviamo lo stadio “estremo” di questa via evolutiva. L’O2 si trova in soluzione nel sangue e viene prelevato dall’acqua sia attraverso le branchie, si attraverso una sviluppata rete di capillari.  

Coriiceps Notothenia a sangue rosso

Che l’emoglobina abbia un ruolo fisiologico ridotto anche nei pesci che ne sono dotati è dimostrato dal fatto che questi ultimi sono in grado di sopravvivere anche dopo che questa proteina è stata rimossa dal loro organismo, oppure è stata resa incapace mediante trattamento con ossido di carbonio – di espletare la sua funzione biologica di trasportare ossigeno ai tessuti.

Le branchie del pesce a sangue rosso N. coriiceps sono rosse perché questa specie di pesce ha globuli rossi che contengono l’emoglobina che lega l’ossigeno.

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