L’orologio biologico sotto il sole di mezzanotte
“Al Polo Nord, la notte e il giorno durano sei mesi!!!” Questa è la frase che ci dicevano da piccoli, per spiegarci il fenomeno del “sole di mezzanotte”.
Mare della Siberia orientale. Chukotka, Russia
Vero è che alle alte latitudini la lunghezza del giorno e delle stagioni è del tutto diversa rispetto a quello che ci insegna la nostra esperienza: andando verso Nord, le giornate invernali sono sempre più corte e quelle estive sempre più lunghe. Addirittura quando si passa il Circolo Polare Artico, il sole scompare completamente all’orizzonte intorno al solstizio d’inverno e non tramonta mai intorno al solstizio d’estate.
Quindi più ci avviciniamo al Polo, più lunghi sono i periodi di luce o buio totale durante le 24 ore. Ecco perché i ritmi circadiani (le ore di attività e di riposo delle varie specie) e i comportamenti di piante e animali sono differenti rispetto a quelli che osserviamo alle nostre latitudini.
Spitsbergen, Svalbard
Per le piante la stagione vegetativa è molto breve (luglio-agosto) e le temperature rigide con mancanza di acqua dolce liquida per gran parte dell’anno creano la necessità di adattarsi a queste difficili condizioni. Similmente, gli animali sono attivi quando la luce permette loro di cercare cibo e riparo.
Snow melt alle Svalbard
Ilaria Baneschi | Diritti riservatiAlle Svalbard la neve scompare a fine giugno e le piante devono concludere la loro stagione vegetativa in poche settimane.
In questo breve lasso di tempo le piante più complesse, come le angiosperme e le gimnosperme, devono sviluppare nuove foglie, fare il fiore e disperdere i semi per poi cadere di nuovo in un sonno lungo nove mesi, come avviene anche nelle praterie alpine di alta quota.
La vegetazione presenta anche adattamenti morfologici: ad esempio la superficie delle foglie è ridotta e pelosa, i rami sono prostrati e si espandono appena sotto la superficie, la disposizione è a forma di cuscino per trattenere aria e umidità.
Il salice polare (Salix polaris) si è adattato benissimo all’ambiente artico: è un vero e proprio arbusto ma assume una forma prostrata e “nasconde” i rami legnosi nel suolo per proteggersi dal freddo. Se ne cibano le renne e la pernice bianca.
Le specie vegetali sono inoltre selezionate per rispondere velocemente e sensibilmente all’arrivo della breve estate: uno studio recente ha rilevato che la vegetazione che vive in ambienti più freddi è più rapida nell’anticipare la stagione vegetativa, in risposta al cambiamento climatico: bisogna fare in fretta!
L’anticipo della stagione vegetativa osservato non corrisponde però a un allungamento della stessa, in caso di precoce fusione della neve: le piante non sembrano “approfittare” della maggiore durata dell’estate. Questo probabilmente perché il periodo in cui la pianta compie il ciclo vitale estivo è plasmato dall’evoluzione e non si può adattare rapidamente al cambiamento climatico. Cosa succederà dunque con il rapido aumento delle temperature in Artico?
La crescita rapida dei pulcini di oca
In Artico la breve durata della stagione estiva riduce anche il periodo disponibile per la crescita dei pulcini. La pressione imposta dalla breve estate è particolarmente rilevante per quelle specie migratrici che si riproducono nelle aree artiche, come le oche facciabianca (Branta leucopsis).
I loro piccoli devono svilupparsi in fretta per essere in grado di lasciare i quartieri riproduttivi prima che la stagione invernale inizi. La crescita veloce permette loro inoltre di ridurre il periodo di vulnerabilità alla predazione.
Oche con pulcini cresciuti, Svalbard
Silvia Giamberini | Diritti riservatiRecenti studi hanno mostrato come la velocità di crescita sia strettamente correlata alla lunghezza del giorno: la luce continua dell’estate artica permette ai pulcini di alimentarsi molto più a lungo dei piccoli di latitudini inferiori. Questo rapido sviluppo non è unicamente legato alla durata del dì ma anche e soprattutto al picco della qualità e della quantità nella vegetazione di cui si alimentano.
Anche per diversi Charadriiformes, in particolar modo alcuni limicoli (Charadrius) e gabbiani (Larus), si è potuto osservare una forte correlazione fra la latitudine dei quartieri riproduttivi e il tasso di crescita dei pulli, legata sempre a una maggiore durata delle ore di luce e a una maggiore disponibilità di risorse alimentari.
La latitudine, però, può avere un’influenza diversa sulla velocità di crescita dei piccoli a seconda del loro grado di precocità alla nascita: ad esempio la crescita dei gabbiani, i cui pulli, al contrario di oche e limicoli, non sono autonomi alla nascita, dipende dall’efficacia dei genitori a procacciare il cibo.
La volpe artica
Le volpi artiche non possono migrare, devono quindi trovare il modo di sostentarsi nei mesi invernali in cui le prede sono scarse: nel periodo di riproduzione delle oche, soprattutto quando i pulcini si lanciano dal nido con i genitori, le volpi ne uccidono e catturano in quantità, nascondendole sotto terra per recuperarle nei mesi di carenza di cibo. Oppure predano e nascondono le uova dal nido.
Renna. Longyearbyen, Svalbard
Anche le renne, come tutti gli animali stanziali, devono adattare il loro ciclo vitale alle condizioni estreme delle isole Svalbard. Le renne sono diffuse in tutte le regioni artiche e subartiche ma la sottospecie di renna delle Svalbard, oltre ad essere più piccola e con le zampe più corte per adattarsi al freddo, ha anche un ritmo circadiano che si modifica con le stagioni:
Nei mesi di luce continua (da aprile a agosto) un certo ritmo circadiano persiste perché comunque durante le ore “notturne” l’intensità della radiazione luminosa cala. In luglio, nelle poche settimane di crescita del foraggio, il ritmo scompare e le renne brucano senza sosta per accumulare le calorie necessarie a superare l’inverno!
Adattamento dei piccoli animali acquatici
Laghi morenici di fronte ad un ghiacciaio alle Svalbard nella zona di Ny Ålesund. Un ricercatore si appresta a campionare zooplancton nel laghetto più a valle.
Diego Fontaneto | Diritti riservatiNei laghi, stagni e pozze delle zone artiche vivono moltissimi animali microscopici che traggono vantaggio dall’alta produttività estiva del fitoplancton; il loro ritmo circadiano giorno/notte è alterato e mangiano continuamente per tutti i mesi in cui c’è luce e l’acqua è allo stato liquido.
Quando l’acqua congela e la luce scompare queste specie sono però in grado di sopravvivere. Alcuni animali, come il crostaceo Lepidurus arcticus, in realtà muoiono e lasciano il campo alle generazioni successive, che sopravvivono al lungo inverno sotto forma di uova durature in grado di resistere al ghiaccio.
Lepidurus arcticus
Altri animali, incredibili, sono in grado di congelare completamente e “resuscitare” l’anno dopo quando il ghiaccio si scioglie: tra questi animali troviamo soprattutto i rotiferi bdelloidei, i tardigradi e i nematodi.
Sono tutti animali dalle capacità sorprendenti: i rotiferi bdelloidei durante il congelamento e il disseccamento hanno un DNA frammentato che, al ritorno dell’acqua liquida, è rimesso a posto in poco tempo.
Bdelloidei del genere Rotaria.
Questa capacità di ricostruire il DNA li rende pre-adattati a sopportare danni anche dalle radiazioni extraterrestri; infatti sia i rotiferi bdelloidei sia i tardigradi vengono usati come modelli sperimentali a bordo della stazione spaziale internazionale per studiare i meccanismi di sopravvivenza nello spazio cosmico.
Stazione spaziale internazionale
Sopravvivere nel ghiaccio: lo strano caso di Lepidurus arcticus
Vittorio Pasquali (Università degli Studi di Roma "La Sapienza") parla del Lepidurus arcticus, un piccolo animale che abita i laghi d’acqua dolce negli ambienti polari e la cui vita dura al massimo 2 mesi, arco di tempo in cui questi animali passano dall'uovo allo stadio adulto, alla deposizione delle nuove uova, e quindi devono assolutamente nel modo più veloce possibile accrescersi, riprodursi, deporre le uova e terminare il loro ciclo.
Racconta che in alcuni stagni temporanei del comune di San Donaci, nel Salento, vive una specie molto vicina al Lepidurus arcticus, il Lepidurus couesii.
Il confronto di queste due specie è interessante perché queste specie si sono adattate a temperature completamente diverse, ma soprattutto a fotoperiodi diversi e quindi il confronto dal punto di vista genetico e comportamentale dei loro ritmi biologici può aiutarci a capire e comprendere i meccanismi evolutivi.
Meganyctiphanes norvegica Specie di krill artico appartenente alla famiglia degli Euphausiidae
Per lungo tempo si è creduto l’oceano durante la lunga notte polare un luogo pressoché privo di vita. Senza la luce solare il fitoplancton (alghe e altri organismi fotosintetici) non può prosperare e quindi nutrire lo zooplancton, in particolare il krill – che a sua volta rappresenta una fonte di cibo per predatori più grandi.
Thysanoessa inermis specie di krill artico appartenente alla famiglia degli Euphausiidae
Negli ultimi decenni i ricercatori hanno scoperto che nell’oscurità della notte polare il mare nasconde una sorprendente vitalità. Questa scoperta è stata fatta proprio nelle acque attorno alle Svalbard grazie a sensori acustici che hanno catturato le prove dello zooplancton che viaggiava su e giù attraverso la colonna d’acqua. Questo comportamento è chiamato migrazione giornaliera verticale ed è ben noto nei microorganismi acquatici dei mari con cicli giorno-notte ben definiti, che definiscono i ritmi circadiani degli organismi.
Lo schema mostra come si distribuiscono nel mare gli organismi durante le ore diurne e notturne. I microrganismi scendono in profondità all’alba, evitando i predatori in superficie delle ore diurne, e risalgono quando cala il sole e torna il buio.
La migrazione giornaliera verticale è una strategia anti-predatoria: i microorganismi si spostano nelle acque più calde superficiali dopo il tramonto, dove si nutrono, tornando negli strati più profondi durante il giorno per sfuggire dai predatori. Questo comportamento dipende dall’alternarsi dei cicli di luce e buio: quindi, come può accadere nell’oscurità dell’inverno artico? Grazie alla luna, che nella notte polare rappresenta una rilevante fonte luminosa in grado di sostituire il sole. La luna guida così la migrazione verticale dello zooplancton nelle acque artiche.
Non si dorme durante la notte polare
Durante la lunga notte polare i merluzzi polari (Boreogadus saida) si rifugiano a diverse profondità, formando grandi aggregazioni in funzione delle dimensioni. Gli individui di dimensioni minori in acque meno profonde, mentre i più grandi a profondità più elevate, dove avviene la riproduzione.
I merluzzi polari adulti in media non superano i 25 cm, sebbene alcuni individui possano arrivare a 40 cm
Come il 20% delle specie di pesci artici, essi depongono le uova durante la notte polare. Le uova così si schiudono al di sotto del ghiaccio marino e gli avannotti compaiono ad inizio primavera, proprio in corrispondenza del picco produttivo dello zooplancton, che rappresenta la fonte di nutrimento più importante dei piccoli di merluzzo polare.
L’elevato costo della crescita iniziale nelle gelide acque polari è controbilanciato dall’abbondanza di risorse alimentari alla nascita.
Così facendo il merluzzo polare riesce a massimizzare la durata della stagione di crescita dei propri avannotti, che a fine estate hanno raggiunto dimensioni maggiori rispetto ai piccoli di specie che si riproducono più tardivamente.
Per gli avannotti possedere una taglia maggiore alla fine della breve stagione estiva significa maggiori probabilità di resistere all’inverno, e alla conseguente mancanza di risorse. Inoltre maggiori sono le loro dimensioni, minore sarà il rischio di predazione e cannibalismo.
Per sopravvivere alle condizioni dell’Artico, tutte le forme viventi hanno dovuto adattare i loro comportamenti o la loro fisiologia. Mentre conosciamo alcuni meccanismi di adattamento, moltissimi ci sono ancora sconosciuti: siamo sicuri che la ricerca scientifica ci regalerà in futuro tantissime sorprese!
