Quali organismi sopravvivono e quali soccombono quando il clima cambia? Un piccolo pesce larvale sta fornendo informazioni sorprendenti su come reagisce il cervello quando la temperatura aumenta.

"È stato davvero incredibile, in realtà. L'intero cervello si è illuminato", afferma la studentessa di dottorato Anna Andreassen.

Gli organismi viventi, siano essi pesci o umani, tendono a funzionare meno bene all'aumentare della temperatura intorno a loro. Questo è qualcosa che molti umani hanno probabilmente sperimentato in una giornata estiva un po' troppo calda. Ma cosa succede esattamente all'interno del corpo quando la temperatura diventa sgradevolmente calda?

I ricercatori del Dipartimento di Biologia della NTNU hanno combinato tecnologia genetica e metodi neurofisiologici per trovare la risposta. Il loro studio compare negli Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Volevamo esaminare i meccanismi che limitano la tolleranza termica degli organismi. Quali animali sopravviveranno quando la temperatura terrestre aumenterà a causa dei cambiamenti climatici e perché? Abbiamo scelto di guardare il cervello", afferma Andreassen.

Il cambiamento climatico provoca ondate di calore

Le ondate di calore che attraversano i continenti stanno diventando più comuni e gli animali che vivono nell'acqua stanno sperimentando temperature che stanno salendo a livelli letali. Capire cosa limita la sopravvivenza a temperature estremamente elevate è fondamentale per poter prevedere come gli organismi faranno fronte al cambiamento climatico.

"La tolleranza termica è un argomento oggetto di ricerca da decenni e l'idea che la temperatura influisca sull'attività cerebrale è vecchia. La novità è che ora possiamo utilizzare la tecnologia genetica e la neurofisiologia per studiare il fenomeno", afferma Andreassen.

Al NTNU di Trondheim, i ricercatori hanno utilizzato larve di pesce zebra appena schiuse per studiare la loro attività cerebrale aumentando gradualmente la temperatura intorno al pesce larvale.

"Questi pesci sono stati geneticamente modificati in modo che i neuroni nel cervello emettano luce fluorescente quando sono attivi. Possiamo vedere questa luce al microscopio mentre le larve nuotano in giro. Questi pesci larvali hanno anche il vantaggio di essere trasparenti . Possiamo guardare direttamente nel cervello delle larve viventi", afferma Andreassen.

Perdere la capacità di rispondere

In questo modo, i ricercatori possono seguire l'attività cerebrale aumentando gradualmente la temperatura dell'acqua in cui nuotano i pesci.

"Possiamo vedere come si comportano le larve quando fa più caldo. Quando inizia a fare molto caldo, perdono l'equilibrio e iniziano a nuotare in cerchio, a pancia in su."

I ricercatori hanno colpito le larve di pesce per verificarne la risposta. Hanno spinto la coda delle larve, che normalmente innesca una reazione di nuoto.

"A una certa temperatura, i pesci smettevano di reagire ai colpi. Erano ancora vivi, ma in senso ecologico potevano essere considerati morti. In quella condizione in natura, non sarebbero stati in grado di nuotare lontano dai predatori o trovare verso l'acqua più fredda", afferma Andreassen, che aggiunge che questa condizione è solo temporanea nei piccoli pesci sperimentali.

"Sono in buone condizioni non appena li mettiamo di nuovo in acqua più fresca", afferma Andreassen.

Il calore spegne il cervello

Finora, gli esperimenti erano andati come si aspettavano i ricercatori. Facendo brillare la luce davanti agli occhi del pesce, potevano anche controllare se il cervello percepiva impressioni visive. Quando la temperatura aumentava, il cervello smetteva completamente di rispondere agli stimoli ed era completamente inattivo. Ma poi, quando hanno alzato un po' di più la temperatura, è successo qualcosa.

"L'intero cervello si è illuminato. Il più vicino possibile alla descrizione di ciò che abbiamo visto è stata una specie di attacco", afferma Andreassen.

Normalmente, vedi solo l'attività cerebrale sotto forma di piccoli punti di luce in parti definite del cervello. Ora i ricercatori stupiti hanno potuto osservare al microscopio come la luce fluorescente si diffonde in pochi secondi e copre l'intero cervello della larva di piccolo pesce.

"Sappiamo che il cervello del pesce zebra ha molto in comune con il cervello umano - il 70% del materiale genetico è lo stesso - e i ricercatori hanno ipotizzato se potrebbe esserci una connessione tra ciò che abbiamo visto in queste larve di pesce e ciò che si vede in il cervello dei bambini che hanno la febbre", dice Andreassen.

Successivamente, i ricercatori vogliono mettere al microscopio un tipo speciale di cellule cerebrali, le cellule gliali.

"Quello che siamo entusiasti di indagare qui è l'attività delle cellule gliali durante il riscaldamento. Queste cellule svolgono un ruolo centrale nell'apporto di ossigeno al cervello:controllano il livello di ossigeno e regolano il flusso sanguigno e quindi l'apporto di ossigeno. Perché noi può vedere che i livelli di ossigeno influiscono sulla tolleranza termica, un'ipotesi è che il cervello smetta di funzionare perché le cellule gliali non sono più in grado di regolare il livello di ossigeno."

Le differenze anticipano l'evoluzione

Per dare un'occhiata più da vicino a quello che è successo, i ricercatori di Trondheim hanno iniziato a manipolare la quantità di ossigeno nell'acqua in cui nuotavano i pesci, aumentando la temperatura.

"Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che il livello di ossigeno ha svolto un ruolo nel controllo della tolleranza termica. Quando abbiamo aggiunto ossigeno extra, il pesce larvale ha fatto meglio alle alte temperature, ha avuto una maggiore attività cerebrale e si è anche ripreso più velocemente dall'essere esposto ai limiti termici superiori rispetto al pesce con basso ossigeno.

Studi su altre specie hanno prodotto risultati contrastanti quando hanno testato l'effetto della concentrazione di ossigeno sulla tolleranza termica.

"Essere 'insensibili' alle fluttuazioni dei livelli di ossigeno potrebbe quindi essere un vantaggio evolutivo all'aumentare della temperatura sulla Terra.

"I risultati mostrano che la tolleranza termica è qualcosa che varia tra le specie. Questa potrebbe essere una caratteristica che determina se una specie è in grado di adattarsi ai cambiamenti climatici o soccomberà all'aumento delle temperature. Molti organismi vivono in ambienti poveri di ossigeno dove le temperature possono diventare rapidamente più alti del normale. Saranno particolarmente vulnerabili", afferma Andreassen.

Cita come esempio organismi che vivono in zone d'acqua dolce poco profonde, nei fiumi o nella zona intertidale.

"Questi sono habitat in cui possono verificarsi grandi fluttuazioni del livello di ossigeno, spesso contemporaneamente a sbalzi di temperatura. In questi habitat, è probabile che i pesci la cui tolleranza termica è limitata dal livello di ossigeno facciano più fatica dei pesci che non ne sono colpiti ."

"Gli animali che riescono a mantenere la funzione nervosa a bassi livelli di ossigeno potrebbero essere quelli che tollereranno meglio le alte temperature", afferma Andreassen. + Esplora ulteriormente

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