Il senso degli squali per i protoni


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Particolare della regione anteriore della testa di uno squalo tigre (Galeocerdo cuvier) sulla quale sono visibili i pori delle ampolle di Lorenzini.

Analizzato il gel che riempie le ampolle di Lorenzini, gli organi che permettono agli squali di percepire i campi elettrici. Per molti versi ancora poco conosciuto, è un materiale che non ha eguali in natura, la cui conduttività protonica è di appena 40 volte inferiore al più avanzato polimero sintetico.

Nonostante le ampolle che lo compongono furono descritte già nel 1678 dal fiorentino Stefano Lorenzini nelle sue Osservazioni sulle torpedini, il funzionamento dell’organo di senso dell’elettroricezione, cioè la capacità di alcuni pesci cartilaginei di percepire i campi elettrici, rimane tuttora poco compreso.

Le ampolle di Lorenzini sono microscopiche strutture tubolari rivestite da uno strato di elettrocettori, cioè cellule riccamente innervate che costituiscono l’epitelio sensoriale. Un secondo tipo di cellule producono una sostanza gelatinosa che riempie la rete di canali che collegano le ampolle, connesse all’ambiente esterno da una serie di pori situati sulla parte anteriore della testa di squali e razze.

La differenza di potenziale elettrico tra l’estremità dei pori e la base delle cellule elettroricettive permette a questi animali di percepire i debolissimi campi elettrici delle prede: la soglia di sensibilità di alcune specie è inferiore a intensità di cinque nanovolt (10 elevato alla meno nove volt) per centimetro. Come possa un segnale tanto debole attraversare il gel e raggiungere gli elettrocettori rimane tuttavia ignoto.

Per capirne di più, il gruppo di Marco Rolandi, professore associato di ingegneria elettrica presso l’Università della California a Santa Cruz e i colleghi dell’Università di Washington e del Benaroya Research Institute, hanno analizzato le proprietà di questo gel,  pubblicando i risultati su “Science Advances”.

“Quando ho effettuato la prima misurazione sono rimasto esterrefatto – confessa il dottorando Erik Josberg, primo autore dell’articolo – la conduttività protonica del gel era di appena 40 volte inferiore al Nafion, il più efficiente polimero sintetico finora inventato”.

Il gel prodotto dalle ampolle di Lorenzini mostra la più elevata conduttività protonica (cioè la capacità di un materiale di condurre protoni) misurata in un materiale biologico.

I ricercatori pensano che la presenza nel gel di molecole chiamate poliglicani solfati sia in qualche modo connessa a questa proprietà. “In un sistema che ha numerosi legami idrogeno ordinati, come i polimeri idratati idrofili – spiega Rolandi – la conduzione dei protoni può avvenire lungo le catene di questi legami”.

I ricercatori confidano che i loro risultati possano contribuire alla comprensione del funzionamento delle ampolle di Lorenzini, e in generale, dell’elettroricezione. Ma non solo: nelle applicazioni tecnologiche, i conduttori protonici sono usati nelle membrane a scambio protonico delle celle a combustibile, che risultano permeabili ai protoni ma non ai gas e agli elettroni.

“Le applicazioni di questa scoperta sono di interesse anche per le scienze dei materiali: nel futuro il gel delle ampolle di Lorenzini potrebbe ispirare lo sviluppo di nuovi sensori non convenzionali”, conclude Rolandi.

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