Come respirano gli animali sott'acqua?

Centinaia di milioni di anni fa, antenati molto, molto lontani degli umani - e di tutti gli animali terrestri con spina dorsale e quattro arti - avevano questa capacità di respirare l'acqua, ma è stata persa dopo che le prime creature che respiravano aria iniziarono a vivere sulla terra a tempo pieno . Oggi, gli esseri umani possono respirare solo in acqua utilizzando attrezzature speciali o in film come "Aquaman" (Warner Bros. Pictures), sui personaggi dei fumetti con abilità subacquee uniche.

La tradizione dei fumetti spiega in qualche modo come Aquaman (Jason Momoa), ibrido per metà umano e per metà atlantideo del film, e tutti i suoi cugini atlantidei dall'aspetto umano possano respirare nelle profondità dell'oceano - le "branchie" sono menzionate, sebbene non siano visibili, e le specifiche sono lasciate all'immaginazione dello spettatore. Ma come respirano esattamente le creature del mondo reale nei loro ambienti acquatici? [Foto: guarda le creature marine più belle del mondo]

In effetti, c'è abbondanza di ossigeno disciolto nella maggior parte dei mari, laghi e fiumi del pianeta, anche se i nostri polmoni che respirano aria semplicemente non possono elaborarlo. Ma gli abitanti dell'acqua del mondo hanno sviluppato molti altri metodi per accedere all'ossigeno nell'acqua, hanno detto gli esperti .

Una tecnica antica

Alcuni animali come le meduse assorbono l'ossigeno nell'acqua direttamente attraverso la loro pelle. Una cavità gastrovascolare all'interno dei loro corpi ha un duplice scopo: digerire il cibo e spostare ossigeno e anidride carbonica intorno, ha detto Rebecca Helm, assistente professore all'Università della Carolina del Nord, ad 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 apparve probabilmente circa 2,8 miliardi di anni fa, "qualche tempo dopo che i cianobatteri iniziarono 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 della stessa quantità di ossigeno degli animali che hanno tessuti reali all'interno", ha detto Berwald in una e-mail.

Tuttavia, ci sono anche degli svantaggi nel "respirare" attraverso la diffusione.

"È molto più lento rispetto all'utilizzo di un sistema circolatorio per portare ossigeno a zone lontane del corpo. Questo probabilmente significa che c'è un limite alla crescita delle meduse", ha aggiunto Berwald.

Metodo della porta sul retro

La respirazione attraverso la diffusione dell'ossigeno sulla superficie corporea si trova anche negli echinodermi, un gruppo di animali marini che include stelle marine, stelle marine, ricci di mare e cetrioli di mare.

Le stelle marine assorbono l'ossigeno mentre l'acqua scorre su protuberanze sulla loro pelle chiamate papule e attraverso solchi in altre strutture chiamate piedi del tubo, ha detto lo zoologo invertebrato Christopher Mah, ricercatore dello Smithsonian National Museum of Natural History a Washington, DC. .

Alcuni tipi di cetrioli di mare di acque poco profonde, tuttavia, hanno un diverso tipo di adattamento specializzato per la respirazione: una struttura respiratoria "ad albero" situata nella cavità corporea vicino all'ano. Quando l'apertura rettale del cetriolo aspira l'acqua nel suo corpo, l'albero respiratorio estrae l'ossigeno ed espelle l'anidride carbonica.

"Gli esce letteralmente dal culo", ha detto Mah. [Dangers in the Deep: 10 Scariest Sea Creatures]

Un "progetto di base"

Nel pesce, le branchie hanno dimostrato di essere un sistema di successo per la respirazione, utilizzando una rete di vasi sanguigni per attingere ossigeno dall'acqua corrente e diffonderlo attraverso le membrane branchiali, secondo il Northeast Fisheries Science Center.

Nella maggior parte dei pesci, le branchie hanno "lo stesso modello di base", ha detto Solomon David, assistente professore presso il Dipartimento di Scienze Biologiche della Nicholls State University in Louisiana. .

"Sono fatti per avere questo scambio di gas in controcorrente - estrarre l'ossigeno e rilasciare i rifiuti", ha detto David. Quando i pesci aprono la bocca, creano una corrente d'acqua che scorre sulle loro branchie. Il tessuto rossastro e altamente vascolarizzato aspira ossigeno ed espelle anidride carbonica, "un po 'come i capillari nei nostri alveoli", ha detto.

Tuttavia, le branchie non sono esattamente una taglia unica. La loro struttura può variare tra le specie per soddisfare le loro esigenze di ossigeno, secondo David. Le branchie di un tonno che nuota velocemente, ad esempio, varieranno leggermente da quelle di un pesce che è un predatore bugie e aspetta, come un alligatore gar.

"Se sei un predatore attivo che è 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. 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 branchiali diventano più condensati, per resistere agli agenti inquinanti 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 man mano che la maggior parte delle specie matura, ma le salamandre acquatiche come le sirene mantengono queste branchie esterne nell'età adulta, ha detto in una e-mail Kirsten Hecht, ecologa acquatica della School of Natural Resources and Environment presso l'Università della Florida..

Il pesce polmonare - un gruppo di pesci che respirano aria e acqua utilizzando una vescica natatoria modificata - ha 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.

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