Ampolle di Lorenzini: il sesto senso elettrico degli squali descritto a Firenze nel 1678

Se prendete un giovane squalo e gli passate sul muso un dito bagnato, vedrete colare da una serie di pori microscopici una sostanza gelatinosa trasparente. Quei pori si aprono su canali che terminano in piccole bottiglie sferiche immerse nel tessuto del capo: sono le ampolle di Lorenzini. Costituiscono uno degli organi sensoriali più strani del regno animale: permettono a squali, razze e chimere di percepire campi elettrici talmente deboli che la nostra strumentazione ha fatto fatica a misurarli. Sono il sesto senso che consente a uno squalo bianco di trovare un pesce piatto sepolto nella sabbia anche con il fango più torbido.

Un fiorentino del Seicento

La prima descrizione anatomica accurata appare nel 1678 in un libro intitolato Osservazioni intorno alle Torpedini, pubblicato a Firenze da Stefano Lorenzini, allora medico ventiseienne legato all'ambiente sperimentale dell'Accademia del Cimento. Lorenzini disegnò con precisione i pori sulla pelle, i canali sottocutanei riempiti di gel e le sferette terminali — quelle che lui chiamava ampullae e che da allora portano il suo nome. Il libro è digitalizzato dalla Biblioteca Nazionale Centrale di Firenze ed è considerato uno dei primi trattati di anatomia comparata.

Marcello Malpighi aveva intravisto le stesse strutture già nel 1663, ma fu Lorenzini il primo a descriverle in dettaglio e a chiedersi a cosa servissero. Lui ipotizzò che fossero ghiandole secernenti muco. La risposta vera arrivò solo trecento anni dopo.

Il 1971 e l'esperimento di Kalmijn

Per molto tempo si credette che le ampolle servissero a percepire pressione o temperatura. La svolta arrivò nel 1971 con un esperimento dal disegno elegantissimo del fisiologo olandese Adrianus Kalmijn, all'epoca alla Scripps Institution of Oceanography. Kalmijn mise in una vasca uno squalo nutrito a vermi e a pesci piatti. Quando il pesce era visibile, lo squalo lo attaccava direttamente; quando il pesce si seppelliva nella sabbia, lo squalo continuava a trovarlo. Quando invece Kalmijn sostituì il pesce con un sacco poroso che conteneva due elettrodi che emettevano lo stesso campo elettrico di un pesce sepolto, lo squalo attaccò gli elettrodi come fossero la preda viva.

L'articolo originale apparve sul Journal of Experimental Biology e dimostrò una volta per tutte che le ampolle erano elettrorecettori. La sensibilità misurata era stupefacente: gli squali rispondevano a campi di circa 5 nanovolt per centimetro, l'equivalente di una pila collegata a due elettrodi posti a mille chilometri di distanza nell'oceano. Per dare un riferimento, è circa un milione di volte più debole della sensibilità di qualsiasi elettrocardiografo di uso medico.

Come funziona il gel

Il segreto sta nel materiale che riempie i canali: una sostanza gelatinosa ricca di proteoglicani e ioni che ha un comportamento elettrico molto particolare. Una ricerca del 2007 pubblicata su PLoS ONE da Brandon Brown e colleghi dell'University of San Francisco mostrò che il gel ha una conducibilità protonica fra le più alte mai misurate in un materiale biologico, vicina a quella di alcuni materiali sintetici usati nelle celle a combustibile. Quel gel funziona da guida d'onda: trasporta il segnale elettrico dal poro cutaneo fino alla cellula sensoriale all'interno dell'ampolla, dove un canale ionico depolarizza la membrana e genera l'impulso che arriva al cervello.

Una notizia ufficiale dell'Università della California definì la scoperta come una potenziale ispirazione per la prossima generazione di biomateriali bioconduttivi.

A che cosa servono nella vita reale

L'elettrorecezione svolge tre funzioni distinte. La prima è la caccia: ogni muscolo contratto produce un piccolo campo elettrico, e uno squalo può individuare un pesce nascosto nella sabbia o un cefalopode che si camuffa visivamente ma non riesce a spegnere la propria fisiologia. La seconda è il corteggiamento: i partner si individuano grazie ai campi bioelettrici di pinne e branchie. La terza, ipotizzata da più studi, è la navigazione: il movimento dell'acqua salina nel campo magnetico terrestre genera campi indotti che lo squalo potrebbe usare come bussola.

Una ricerca dell'Università delle Hawaii pubblicata in più articoli ha documentato che squali pinna nera Carcharhinus melanopterus spostati di oltre 1.000 km nuotano in linea retta verso casa anche in mare aperto. La spiegazione più solida invoca proprio l'uso del campo magnetico mediato dalle ampolle.

Un organo che ispira la tecnologia

Negli ultimi vent'anni l'ingegneria biomimetica ha cominciato a copiare il principio. Dispositivi medici per la rilevazione di micro-correnti nel sistema nervoso, sensori sottomarini per individuare oggetti metallici, microfoni passivi per la ricerca di prede nei sottomarini autonomi: tutti traggono ispirazione dalla geometria del canale gelatinoso di Lorenzini. La scheda dell'Enciclopedia Britannica menziona esplicitamente questa influenza sulle scienze ingegneristiche.

Tre secoli e mezzo dopo il trattato fiorentino, l'organo che Lorenzini credeva una ghiandola si è rivelato uno dei sensori più sofisticati mai esistiti in natura. Lo studio di un vecchio libro del 1678, ripreso da un fisiologo olandese degli anni Settanta e da chimici dei materiali del XXI secolo, ha cambiato per sempre il nostro modo di capire come gli animali abitano il mare.