BIOLOGIA/ Perché gli animali non hanno i rami e gli alberi le gambe?

- Amos Maritan

AMOS MARITAN presenta la legge di potenza di Kleiber, che spiegherebbe il motivo per cui le piante tendono all’immobilità e alla ramificazione e gli animali ad avere le gambe.

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foto: Infophoto

Perché gli animali e le piante hanno la forma che ben conosciamo? I biologi hanno cercato per molto tempo una buona risposta al perché gli animali non tendono ad avere rami o gli alberi le gambe. Ora una risposta c’è. Sia gli animali e che le piante hanno forme che rappresentano buone soluzioni al problema che tutti gli organismi complessi multicellulari devono affrontare: come distribuire in modo efficiente in tutto il corpo l’energia di cui hanno bisogno per sopravvivere.

Entrambe le soluzioni, animali e piante, richiedono un compromesso. La forma animale – un corpo relativamente compatto, con una superficie proporzionale alla potenza  2/3 del loro volume corporeo – funziona solo se l’organismo ha un cuore per pompare nutrienti su tutte le parti del corpo. La forma vegetale – altamente non uniforme e ramificata, con una superficie approssimativamente proporzionale al volume stesso – non ha bisogno di un cuore per distribuire le sostanze nutritive; ma ciò significa sacrificare la mobilità.

Nel tentativo di rispondere a questa domanda, fondamentale per la vita sulla Terra,  si è anche spiegato un famoso puzzle della biologia noto come legge di Kleiber: il tasso metabolico di un organismo è proporzionale alla potenza ¾ della massa e vale sia per le piante che per gli animali del nostro pianeta. Un corollario è che gli animali più grandi hanno battiti cardiaci più lenti, in modo che ogni animale ha circa la stessa durata di vita misurata in battiti cardiaci!

Nessuno sapeva da dove provenisse la legge di Kleiber e perché avesse una validità così ampia. Una spiegazione, postulata nel 1997 da Geoffrey West e collaboratori dell’Istituto di Santa Fe in New Mexico e pubblicata su Science (vol. 276, pag. 122-126), suggeriva che la risposta si trova nel concetto di frattale: una struttura ramificata delle reti che distribuiscono i nutrienti sia negli animali che nelle  piante – i vasi sanguigni e rami. Tuttavia una ricerca più recente (pubblicata da Banavar, J. R., Cooke, T. J., Rinaldo, A. & Maritan, A. su PNAS, vol. 111, pag. 3332-3337) ha concluso che, per gli animali, la legge di potenza ¾ non ha per nulla bisogno di contare su reti di distribuzione frattali.

Per le piante invece la frattalità è importante ma per un altro motivo rispetto a quello originalmente proposto da West. Il fattore ¼ nel legge di potenza di Kleiber deriva dal fatto che la rete è altamente ramificata e che il volume occupato dalla pianta è quasi tutta superficie foliare. Questo significa che la pianta è piuttosto simile a un oggetto quadridimensionale che vive in tre dimensioni. Detto questo, segue che la legge ¾ rappresenta una soluzione ottimale per distribuire energia in tutto l’organismo.

È la ramificazione presente nelle piante, conseguenza della loro grande superficie, che impedirebbe agli alberi di spostarsi facilmente. Per gli animali è diverso. Infatti la loro superficie aumenta solo con la potenza  2/3 del loro volume e i grandi mammiferi prenderebbero fuoco se non fossero in grado di rallentare il loro metabolismo e così permettere alla loro superficie di irradiare tutto il calore generato dal metabolismo stesso. Questo non basta per rendere conto della legge ¾ ; manca un altro ingrediente affinché valga anche per gli animali. Senza questo ingrediente la legge darebbe la potenza 2/3 che è più piccola di ¾ e quindi renderebbe gli animali meno efficienti delle piante nel loro consumo di energia e l’evoluzione li avrebbe certamente scartati come organismi!

Il nuovo ingrediente è la velocità con cui il cuore pompa il sangue che trasporta i nutrienti. Questa velocità non è la stessa in tutti gli animali bensì aumenta con la potenza 1/12 della massa corporea. In altre parole gli animali hanno bisogno di regolare il flusso di nutrienti e di calore  a seconda della loro massa per mantenere la massima efficienza energetica possibile e così essere efficienti come le piante che non hanno bisogno di un cuore. In questo modo  entrambe le forme , animali e piante, sono altrettanto bravi a distribuire le sostanze nutrienti, ricche di energia, in tutta la loro massa.

È possibile pensare a una forma di organismo intermedio tra vegetale e animale? Il problema è che soffrirebbe di entrambi i vincoli: avrebbe bisogno di una pompa, ma sarebbe anche piuttosto impedito nel movimento. Nel suo libro di fantascienza del 1951, Il giorno dei trifidi, John Wyndham immaginava piante intelligenti che camminavano e conquistavano il mondo.

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