11 aprile 2018

Il rapporto superficie/volume nelle interazioni del vivente

di Francesca Capparelli

Come si può facilmente intuire, la parola interazione è composta dai due termini inter ed azione, sul modello francese di interaction, ed indica un mutuo e reciproco influire di un elemento su un altro. Da un punto di vista fisico, essa corrisponde in un certo senso alla nota legge per cui a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria; sotto l’aspetto sociologico, essa è la cooperazione tra due o più agenti, variabile per durata, tempo, tipologia e altri parametri; dal punto di vista economico, l’interazione è ascrivibile ad attività quali il commercio e l’industria. Nell’ambito della biologia, la definizione di interazione si fa ancora più complessa rispetto alle spiegazioni, comunque approssimative, degli altri ambiti sopra considerati: la si può infatti intendere come azione reciproca tra organismi, come rapporto di un’entità con l’ambiente, oppure come scambio tra due entità viventi, scambio che a sua volta può essere univoco, biunivoco, vantaggioso o dannoso.

 

 

Vogliamo ora focalizzare l’attenzione sulla componente essenziale della biologia dei viventi: la cellula. Le cellule, in quanto unità fondamentali di ogni organismo, sono presenti in una molteplicità di forme e dimensioni, passando da quelle batteriche di soli pochi decimi di micrometri (ordine di grandezza 10-6 metri), fino ad alcune cellule nervose, di un metro o più; comunque il diametro medio di una cellula varia dalle decine alle centinaia di micrometri. Ciò che maggiormente limita le sue dimensioni è proprio una questione inerente all’interazione con l’ambiente; notiamo infatti con calcoli elementari di geometria che, approssimando la cellula ad un solido quale una sfera o un cubo, il volume tende a crescere più velocemente della superficie, secondo un fenomeno noto come effetto scala. Il problema biologico ed evolutivo che si pone al vivente è quindi quello della necessità di conservare un rapporto tra la superficie ed il volume cellulare adeguato: deve esservi una superficie esterna che consenta uno scambio ottimale con l’ambiente al di fuori, ma allo stesso tempo non devono essere raggiunti volumi eccessivi, non potendo la cellula mantenere un fabbisogno metabolico sproporzionato alle sue effettive capacità di scambio. Per superare questo apparente conflitto, la cellula, principalmente quella con ruolo nell’assorbimento, ha introdotto “strategie” biologiche quali introflessioni ed estroflessioni della sua membrana, che aumentano la sua area di scambio, senza che ciò comporti una variazione eccessiva del volume.

 

 

Emblematica in questo senso è la situazione di alcune cellule muscolari del cuore, i miociti cardiaci. Un gruppo di scienziati dell’Illinois ha svolto delle misurazioni quantitative sul volume e sull’area superficiale delle suddette cellule di topo, ratto e furetto. In ciascuna delle tre specie, considerate individualmente, il rapporto tra la capacità della membrana e il volume è pressoché costante, nonostante la grande variabilità delle dimensioni cellulari. Trattandosi di cellule cardiache, ciò è molto importante in relazione all’ottimizzazione del passaggio di ioni tra la cellula e l’ambiente esterno. Tra le diverse specie, invece, il rapporto superficie/volume risulta differente, probabilmente a causa dei differenti adattamenti ambientali che specie distinte tra loro hanno subito in base alla necessità di generare più o meno forza nel battito cardiaco e di avere cicli di eccitazione-contrazione più o meno rapidi (a seconda, ad esempio, del clima in cui vive).

Questo fenomeno evolutivo è interessantissimo in quanto si ritrova anche su altre scale di organizzazione del vivente che esulano dal microscopico ambito cellulare, indicando dunque un chiaro vantaggio biologico generalizzato nel mantenimento di un adeguato rapporto superficie/volume.

 

 

A livello di organo, un sapiente utilizzo del rapporto superficie/volume si riscontra ad esempio nel tratto intestinale. Non solo la lunghezza dell’intestino è di circa 7 metri (per consentire un corretto assorbimento di nutrienti in seguito al processo dell’alimentazione e della digestione), ma  la sua superficie totale raggiunge i 200 m2, poiché esso presenta dei villi, detti appunto «intestinali», che sono estroflessioni della mucosa e che consentono di incrementare gli scambi con l’ambiente esterno e l’apporto di nutrienti.

 

 

E per quanto riguarda l’intero organismo? L’appropriato rapporto superficie/volume è mantenuto anche a questo livello, ma secondo modalità e finalità differenti rispetto a quelle di cellule o organi. Dall’equatore verso i due poli, la dimensione media degli animali aumenta per questioni di ottimizzazione della termoregolazione, come asserisce anche la legge di Bergmann. Gli animali più grandi, infatti, hanno un rapporto superficie/volume inferiore rispetto agli animali di piccola taglia, quindi disperdono il calore con molta lentezza, trovandosi favoriti in zone con climi temperati. Gli animali più piccoli, invece, mostrano maggiore sopravvivenza in climi anche estremamente caldi, poiché possono disperdere il calore molto rapidamente proprio grazie alla loro superficie corporea, come conseguenza di un elevato rapporto superficie/volume.

 

 

La questione ha attirato grande interesse anche nel campo entomologico, in cui sono state avanzate considerazioni per cui la massa, il volume e l’area di superficie degli organismi sono importanti per molti aspetti della fisiologia e delle prestazioni degli insetti. Il rapporto superficie/volume è stato quantificato per la prima volta nel 2016 con modelli di superficie 3D basati su un metodo di scansione della luce strutturata: insetti con una superficie proporzionalmente maggiore mostrano i più alti tassi di perdita d’acqua, fenomeno strettamente correlato al metabolismo ed allo scambio di gas. Questo fatto è estremamente importante perché gli ingenti cambiamenti climatici portano spesso gli insetti ad una situazione di stress da eccessiva perdita d’acqua: sarà necessario che la selezione naturale agisca, cosa che sta già avvenendo, per favorire la sopravvivenza degli insetti con tratti genetici tali da consentire una miglior risposta fisiologica alla disidratazione. Possiamo soltanto ipotizzare che tra questi vi sia proprio una modifica del rapporto canonico superficie/volume.

 

Nonostante la cellula sia chiaramente in grado di attuare scambi e svolgere interazioni con l’ambiente esterno ad essa, anche in altre modalità non citate, ma ugualmente interessanti dal punto di vista evolutivo, sembra comunque che il livello di interazione che si basa sul rapporto tra la superficie membranosa esterna ed il volume interno sia quello più importante, perché mantenuto nell’evoluzione e perché applicabile, con gli stessi criteri, dal microscopico al macroscopico: abbiamo infatti osservato come ciò avvenga a livello di cellula, organo ed intero organismo.

 

 

Per saperne di più

W.M. Becker, L.J. Kleinsmith, J. Hardin, G.P. Bertoni, Il mondo della cellula, Pearson, Milano 2009.

 


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