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Paradigmi teorici nel movimento dei mammiferi. Intervista al Dott. Carlo Biancardi

Scritto da Annalisa Arci il 04.11.2013

M’ammalia è un festival organizzato dall’Associazione Teriologica Italiana che, oltre al confronto tra esperti del settore, ha lo scopo di avvicinare il pubblico al variegato mondo dei mammiferi. La teriologia è, infatti, una disciplina scientifica assai variegata, in grado di offrire spunti di ricerca e di riflessione in vari settori. Biologia, fisiologia, scienze naturali, ma anche fisica ed economia, per giungere a problemi di cui la società dovrebbe essere più consapevole, come la gestione dei mammiferi e la conservazione del loro habitat.  

Tra le iniziative in calendario, venerdì 25 ottobre si è tenuto un workshop presso il Museo di Storia Naturale di Milano dal titolo “Mammiferi in movimento. Come è cambiata e come cambia la presenza dei Mammiferi in Italia e nel mondo attraverso migrazioni, espansioni ed estinzioni”. Tra i numerosi argomenti affrontati è certamente fondamentale comprendere su quali paradigmi teorici poggia la scienza del movimento dei mammiferi. 

Copperplate engraved illustration showing the physics of motion of three birds, three fish, and a leaping horse, with comparisons of a squatting man, dog and money, from Giovanni Borelli’s De Motu Animalium. (Rome: A. Bernabo, 1680).  NLM Call number: WZ 250 B7315dm 1680.

Giovanni Borelli, De Motu Animalium. (Roma: A. Bernabo, 1680).

Il movimento degli animali è un tema che ha interessato prima la filosofia che la scienza: nel corpus biologico Aristotele offre la prima trattazione sistematica del movimento. Nell’ambito di una biologia strutturale di stampo fissista troviamo varie descrizioni dell’animale, dalle più astratte (“ente dotato di quattro punti geometrici di locomozione”) a quelle più empiriche (“ente dotato di piedi indivisi”). Se con il trionfo della tassonomia linneana il movimento degli animali diventa, ad esempio, un momento interno allo studio dei modi di vita di un gruppo monofiletico, i vertebrati, è solo con l’Origine delle specie di Darwin che il paradigma teorico di riferimento muta. Ora il problema del movimento animale si inserisce in un più ampio dibattito sull’evoluzionismo.

Quali problemi teorici affronta chi si occupa del movimento dei mammiferi? Qual è il contesto in cui questi studi si inseriscono e quali sono le prospettive future? Ne parliamo con il Dott. Carlo Biancardi (Università Studi di Milano, Centro Studi Ottimizzazione Biologica – SISN) che ha partecipato al workshop con un intervento dal titolo “Mammiferi in movimento: locomozione in terra, aria e acqua”.

Domanda. Come si inseriscono gli studi sul movimento animale nella cornice evolutiva darwiniana?

Carlo Biancardi. Gli animali si muovono per molte diverse ragioni e spesso, nel corso dell’evoluzione, hanno dovuto risolvere il “problema” di affrontare e muoversi in nuovi e diversi ambienti: il passaggio dall’acqua alla terraferma, la conquista dell’ambiente subaereo, il ritorno all’acqua, ecc… Le pressioni selettive si scontrano però con vincoli e costrizioni di carattere fisico (es. vincere la forza di gravità) e con gli alti costi energetici del lavoro muscolare. Gli studi sulla locomozione sono quindi un ottimo esempio di ricerca di soluzioni che, nel corso dell’evoluzione, tendono a massimizzare i risultati minimizzando i costi. Ad esempio nel rapporto preda-predatore fra grandi mammiferi si possono apprezzare i diversi compromessi fra pressione selettiva e vincoli fisiologici e meccanici: il ghepardo, re delle altissime velocità, si basa su questo per vincere gli inseguimenti; il leone invece conta sulla potentissima accelerazione da fermo, e quindi cerca di avvicinarsi il più possibile alla preda per vincere sullo scatto; gazzelle e antilopi puntano sulla capacità di mantenere alte velocità nel tempo e cambiare repentinamente direzione (con un raggio di curvatura più corto rispetto a quello dei predatori).  

D. Con exaptation si intendono i cambiamenti di funzione a parità di struttura. A volte, con l’emergere di nuove funzioni, gli organismi recuperano strutture mai impiegate in passato o altrimenti impiegate. Esistono esempi di questo tipo nella locomozione animale?

C.B. Uno dei classici esempi è l’utilizzo degli arti da parte dei primi artropodi terrestri. Queste strutture erano presenti nelle forme acquatiche, ma non erano utilizzate per sostenere il corpo o per fungere da leva. Sono propenso a credere che anche il riadattamento di arti che fungevano da pinne nei pesci sarcopterigi in arti locomotori terrestri possa essere annoverato fra gli esempi di exaptation. 

D. In natura troviamo bipedi, quadrupedi, esapodi, etc.. Sul piano meccanico e cinematico esiste uno schema o un “modello geometrico” per il movimento? Nel De motu animalium e nel De incessu animalium Aristotele pensava al corpo animale come a una struttura a sei dimensioni, in cui ciascuna parte si muove poggiando su un punto immobile. Esiste un modello simile sul piano biomeccanico?

C.B. La locomozione terrestre con l’ausilio di arti è stata descritta, a partire dagli studi di Margaria proprio qui a Milano, all’Istituto di Fisiologia dell’Università degli Studi, utilizzando modelli meccanici semplici. Caratteristica comune è la periodicità, per ogni ciclo di passi (stride in inglese) il centro di massa o baricentro del soggetto che si muove deve essere sollevato e spostato in avanti, mentre gli arti compiono un movimento ciclico che li fa poi tornare nella configurazione di partenza. Il modello dipende invece dall’andatura. Il cammino bipede, corrispondente al passo dei quadrupedi, è stato descritto con il modello del “pendolo invertito”, nel quale si osserva uno scambio fra energie cinetica e potenziale dovuto al fatto che, portando il piede in avanti il centro di massa si abbassa (diminuisce l’energia potenziale) e accelera (aumenta l’energia cinetica). Nella fase immediatamente successiva avviene il contrario. Questo scambio permette di contenere il dispendio energetico totale. Per la corsa bipede, corrispondente al trotto quadrupede, viene utilizzato il paradigma della palla rimbalzante o del pogo-stick (un gioco costituito da un bastone, con manubrio e pedana, che rimbalza su una molla terminale). Qui il centro di massa viene sollevato e accelerato nello stesso tempo, c’è una fase di volo ed entra in gioco l’energia elastica (evidenziata, nel modello, dalla molla) accumulata e poi rilasciata dai tendini. Il terzo paradigma riguarda il salterello o skipping, un’andatura espressa principalmente dai bambini, che corrisponde al galoppo dei quadrupedi. Qui, all’appoggio in sequenza di due piedi, segue una fase di volo nella quale tutti gli arti sono sollevati da terra. Il modello è un doppio pogo-stick, nel quale i bastoni sono vincolati nella parte alta. Le andature sono caratterizzate anche dalla sequenza di appoggio dei piedi, dalla frazione del tempo di appoggio rispetto al ciclo totale del passo, dallo sfasamento fra gli appoggi.

D. Esistono dei modelli di corsa e di marcia comuni, ad esempio, all’uomo e agli uccelli? Se esistono, esiste un “organismo ottimale” per queste funzioni? È un animale possibile o un animale che effettivamente esiste?

C.B. Il modello di marcia bipede, di cui ho parlato in precedenza, si applica sia all’uomo che agli uccelli. Per la corsa il discorso è un po’ differente. Il modello di pogo-stick, valido per l’uomo, prevede una fase di volo: in sostanza la corsa è una serie di balzi alternati sui due piedi. Molti uccelli invece sono capaci di una vera corsa, con transizione dal movimento pendolare a quello rimbalzante, ma senza fase di volo (c’è sempre almeno un piede appoggiato a terra). L’organismo ottimizzato per camminare o correre è quello capace di compiere queste attività ottenendo il massimo rendimento con il minimo costo. Qui si parla di costi energetici, perché il lavoro muscolare costa, e un risparmio in questa voce di spesa significa energia disponibile per altro, ad esempio crescita o riproduzione. Esistono poi dei limiti fisiologici alla quantità di lavoro che può essere sostenuto dal metabolismo aerobico.  L’andatura pendolare del cammino permette uno scambio fra energia cinetica e potenziale, quindi un recupero energetico che ne riduce i costi metabolici e ne fa un’andatura lenta ma estremamente economica. Nella corsa il risparmio avviene grazie all’energia elastica che può essere immagazzinata dai tendini. Le grandi prestazioni di velocità sono ottenute grazie a modificazioni nella postura degli arti. I mammiferi “velocisti” sono generalmente digitigradi o unguligradi, quindi sfruttano come leva anche parte della mano e del piede (metacarpo e metatarso), giocando anche sui rapporti fra le lunghezze dei segmenti degli arti. Tuttavia, dato che non si può sempre avere tutto quel che si vuole, non si può ottenere contemporaneamente il massimo di prestazioni di velocità, scatto, resistenza e di economicità… Come per gli atleti, abbiamo animali (specie) che sono specializzati nello sprint, nel fondo o nel risparmio di energie…

D. La locomozione è un tema trasversale: può essere studiato dal punto di vista evolutivo, biomeccanico, fisiologico, ma anche fisico. Ho letto l’abstract del suo articolo su “Planetary and Space Science”, The energetics and mechanics of level and gradient skipping: preliminary results for a potential gait of choice in low gravity environments. Che cosa cambia in assenza di gravità o a bassa gravità?

C.B. Nella locomozione con arti il centro di massa corporeo, o baricentro, si alza e si abbassa periodicamente ad ogni ciclo di passi. Dato che l’energia potenziale dipende da massa, altezza e accelerazione di gravità (g), ecco che quest’ultima ha una grossa influenza sulla locomozione. Nella scienza della locomozione si utilizza un particolare numero, chiamato numero di Froude, che permette di confrontare andature di animali di taglia diversa ottenendo velocità dinamicamente equivalenti. Il numero di Froude non ha dimensioni ed è dato da velocità al quadrato diviso g per la lunghezza dell’arto [v2/(g*l)]. La presenza di g nell’equazione ci permette anche di fare predizioni sulla locomozione dello stesso animale a gravità differenti da quella terrestre. Il modello ci dice che, a gravità inferiori a quella terrestre, le velocità che permettono andature dinamicamente simili si abbassano. Quindi, ad esempio, sulla Luna che ha gravità pari a 1/6 di quella terrestre, un uomo potrebbe camminare a velocità pari al 40%, quindi meno della metà, di quella terrestre. Nell’articolo citato ipotizziamo che una andatura saltellante (lo skipping) sfavorita energeticamente sulla terra, possa diventare vantaggiosa in situazioni di ipogravità. Attualmente il nostro gruppo di ricerca, diretto dal Prof. Minetti e con il Dott. Pavei, sta procedendo alle verifiche sperimentali.

 

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