Sistemi sensoriali/Serpenti

Serpenti: Percezione delle Radiazioni Infrarosse

Introduzione

Posizione degli organi della fossa. Sopra: pitone, sotto: crotalus.

Alla vista o anche solo al pensiero dei serpenti, molte persone si sentono a disagio o addirittura spaventate. C'è una ragione per cui vengono considerati creature mitiche. I serpenti sono diversi rispetto agli altri animali: non hanno zampe, sono lunghi e si muovono elegantemente e senza rumore, alcuni di loro sono velenosi e usano costantemente la loro lingua biforcuta per sentire gli odori. Alcuni di loro sono predatori veloci ed efficaci anche di notte. Qualcosa che li rende sicuramente speciali è il loro "sesto senso": la capacità di rilevare le radiazioni infrarosse. Similmente agli apparecchi di visione notturna, i serpenti sono capaci di rilevare i cambiamenti di calore nell'ambiente circostante e ottenere così un'immagine dettagliata di esso. Ci sono almeno due gruppi diversi di serpenti che hanno sviluppato separatamente questa abilità: il primo è quello delle vipere, mentre il secondo è costituito da boa e pitoni (questi ultimi spesso classificati in un unico gruppo chiamato "boidi"). Tuttavia, i serpenti non sono l'unica specie che ha evoluto questo senso: i pipistrelli vampiro e alcuni gruppi di insetti lo hanno sviluppato. Anche di notte, le vipere, i boidi e i pitoni riescono a individuare i roditori grazie al calore che emettono. Questo calore può essere rilevato da un sistema sensoriale che permette loro di "vedere" le radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d'onda lunghe da 750 nm a 1 mm. Gli organi che rendono ciò possibile sono chiamati "organi termosensoriali" e si trovano sotto gli occhi, all'interno di due cavità dell'osso mascellare. Sono estremamente sensibili, tanto da poter rilevare anche minime variazioni di temperatura pari a soli 0,003 K.

Anatomia dell'Organo Sensoriale

Gli organi di percezione dell'infrarosso delle vipere e dei boidi sono simili nella loro struttura fisiologica, ma differiscono per il numero, la posizione e la morfologia. L'anatomia è piuttosto semplice e verrà spiegata prendendo come esempio il crotalo, una vipera velenosa che si trova solo nelle Americhe, dal Canada meridionale all'Argentina settentrionale. È costituito da uno spazio cavo che è diviso in due camere riempite d'aria da una sottile membrana dello spessore di 0,01 mm. È riempito da cellule sensoriali del nervo trigemino (TNM). Circa 7000 in numero, queste cellule trasducono il calore attraverso canali ionici sensibili al calore, aumentando la loro frequenza di scarica quando si verifica un cambiamento positivo della temperatura e diminuendo nel caso opposto. Sono molto sensibili grazie alla prossimità spaziale di questi termorecettori all'esterno e anche alla presenza della camera riempita d'aria che si trova al di sotto.

Questa camera d'aria funziona come un isolante, separando i tessuti che altrimenti scambiarebbero rapidamente energia termica. Pertanto, l'energia termica assorbita viene utilizzata esclusivamente dal sistema sensoriale e non si disperde nei tessuti sottostanti. Questa anatomia semplice ma sofisticata è la ragione della sensibilità unica degli organi di percezione del calore. La struttura fisica degli organi di percezione permette persino la rilevazione della direzione della radiazione. L'apertura esterna è approssimativamente la metà della membrana. Pertanto, l'intero organo funziona secondo l'ottica di una macchina fotografica a foro stenopeico: la posizione del punto irradiato fornisce informazioni sulla posizione dell'oggetto. Il calore stesso viene rilevato dall'attivazione di canali ionici sensibili al calore chiamati TRPA1. Questi canali esistono anche in altri animali, ma hanno altre funzioni come la rilevazione di irritanti chimici o il freddo. Vipere e boidi sembrano aver sviluppato la capacità di percepire l'infrarosso indipendentemente. Poiché i canali ionici sensibili al calore hanno diverse soglie termiche nei diversi serpenti, la sensibilità alla temperatura varia tra i serpenti. I crotali hanno i canali più sensibili. I serpenti che non sono in grado di rilevare l'infrarosso possiedono anche questi canali, ma la loro soglia termica è troppo alta per rilevare l'infrarosso.

Anatomia del Cervello

Ogni organo sensoriale ha una regione cerebrale dedicata per elaborare le informazioni raccolte. I serpenti valutano l'input sensoriale infrarosso proveniente dagli organi di percezione nel nucleo del tratto trigeminale laterale discendente ("LTTD"), una regione unica nel loro metencefalo che non è stata trovata in altri animali. Il LTTD è collegato al tectum opticum tramite la reticularis caloris ("RC"). La sua funzione è ancora sconosciuta. Nel tectum opticum, gli stimoli visivi e infrarossi sono collegati al fine di fornire un'idea dettagliata dell'ambiente circostante dell'animale.

Fisiologia

Gli esperimenti hanno dimostrato che la rilevazione dei bersagli termici deve essere abbastanza precisa, poiché i serpenti colpiscono le fonti termiche con un basso margine di errore, anche senza l'aiuto della vista. Le misurazioni hanno determinato che l'angolo di apertura di un fascio infrarosso che cade sull'organo di percezione è compreso tra 45 e 60 gradi. A seconda di dove si trova la fonte di calore rispetto al serpente, il fascio colpisce la membrana dell'organo di percezione in un punto diverso. Il campo recettivo del sistema di percezione infrarossa nel tectum opticum è rappresentato in modo simile al campo recettivo visivo. La parte anteriore del tectum opticum riceve il suo input dalla parte posteriore della membrana dell'organo di percezione e dalla retina, e quindi elabora gli stimoli dalla parte anteriore del campo visivo. Allo stesso modo, la parte posteriore e i lati del campo visivo sono rappresentati nella parte posteriore del tectum opticum e nella parte anteriore della membrana dell'organo di percezione e della retina. I campi recettivi dei sistemi sensoriali visivo e infrarosso si sovrappongono quasi perfettamente all'interno del tectum opticum, in modo che i neuroni lì ricevano e elaborino informazioni sensoriali da due sensi, più o meno dalla stessa direzione. Mentre il crotalus ha solo due organi di percezione, l'anatomia dei sensori di temperatura è molto più complicata in boe e pitoni. Essi possiedono 13 organi di percezione su ogni lato della testa. Ognuno di essi funziona anche come una macchina fotografica a foro stenopeico che inverte l'immagine. Le informazioni della parte anteriore del campo visivo vengono nuovamente elaborate nella parte anteriore del tectum opticum, ma ora il campo recettivo di ogni organo di percezione è proiettato su una parte diversa di esso. Gli organi di percezione anteriori sono rappresentati nella parte anteriore del tectum opticum e quelli posteriori nella parte posteriore. Inoltre, i campi recettivi dei diversi organi di percezione si sovrappongono, fornendo così un campo proiettivo più o meno continuo che corrisponde a quello visivo. È curioso notare che la parte anteriore di ogni organo di percezione viene proiettata nella parte posteriore del campo recettivo nel tectum opticum, un'organizzazione piuttosto complicata e unica. Il tectum opticum contiene sei diverse tipologie di neuroni che si attivano in risposta a stimoli infrarossi e/o visivi. Alcuni tipi di cellule rispondono solo se è presente uno stimolo visivo e uno infrarosso, mentre altre rispondono a qualsiasi tipo di stimolo. Ci sono cellule che rispondono a uno dei due input sensoriali se arriva da solo, ma aumentano il loro tasso di scarica per un input simultaneo da entrambi i sistemi. L'ultimo gruppo di cellule funziona in modo opposto. Alcune di esse rispondono intensamente agli stimoli visivi e smettono di scaricare quando arrivano segnali dagli organi di percezione infrarossi o viceversa. A cosa servono questi diversi tipi di neuroni nei serpenti con organi di percezione? L'elaborazione nel loro cervello deve aiutare i serpenti con diverse attività: innanzitutto, il serpente dovrebbe essere in grado di rilevare e localizzare gli stimoli. In secondo luogo, devono essere identificati e reagire in modo appropriato. Le cellule che rispondono sia agli stimoli visivi che infrarossi indipendentemente l'uno dall'altro potrebbero essere responsabili del primo compito. Le cellule che rispondono solo se ricevono entrambi gli stimoli contemporaneamente potrebbero funzionare come rilevatori di oggetti vivi in movimento. Inoltre, le cellule che smettono di scaricare non appena lo stimolo visivo è completato con un segnale infrarosso potrebbero essere particolarmente importanti per rilevare l'ambiente fresco come foglie o alberi. L'interazione tra i diversi tipi di cellule è importante per identificare correttamente gli stimoli. Non vengono utilizzate solo per identificare le prede a sangue caldo, ma anche per identificare i predatori e la termoregolazione del serpente.

Pipistrello vampiro comune. Gli organi di rilevamento degli infrarossi sono situati nel naso.

La Percezione dell'Infrarosso nei Pipistrelli Vampiri

I pipistrelli vampiri sono gli unici mammiferi in grado di percepire le radiazioni infrarosse. Per farlo, possiedono tre cavità nel loro naso che contengono gli organi sensoriali. Mentre utilizzano anche canali ionici per rilevare il calore, si tratta di un tipo di canali ionici diverso rispetto ai serpenti. Negli altri mammiferi e ovunque nel loro corpo, ad eccezione del naso, questo tipo di molecola è responsabile della percezione del dolore e della sensazione di bruciore. Tuttavia, nel naso il loro soglia è molto più bassa. Il canale è in grado di rilevare variazioni di temperatura a partire da 29°C. Ciò consente ai pipistrelli vampiri di individuare fonti di calore a una distanza di 20 cm e li aiuta a trovare le zone ricche di sangue sulla loro preda.