Rettili che respirano come uccelli

La scoperta che i polmoni delle iguane verdi funzionano in modo simile a quelli degli uccelli costringe a rivedere la storia dell’evoluzione del sistema respiratorio

L’anatomia del sistema respiratorio degli uccelli è complessa e molto diversa da quella dei mammiferi. I polmoni sono collegati a un sistema di sacchi aeriferi, divisi in un gruppo anteriore e posteriore, che consente all’aria in ingresso di attraversare il sistema respiratorio seguendo un flusso detto “unidirezionale”. L’aria, dopo essere entrata nella trachea, si immette nei due bronchi primari e poi nei mesobronchi che attraversano il polmone per terminare nei sacchi aeriferi posteriori. Da qui passa in un sistema bronchiale composto da numerosi tubuli detti parabronchi, dove avvengono gli scambi gassosi con i capillari sanguigni. L’aria in uscita, ora povera di ossigeno, transita attraverso i sacchi aeriferi anteriori per essere poi espulsa. Il flusso dell’aria è unidirezionale perché segue un percorso circolare. A differenza dei mammiferi, dove l’aria inspirata si mescola sempre a una certa quantità di aria residua, nel sistema respiratorio degli uccelli l’aria in ingresso non incontra mai quella in uscita perché i due volumi percorrono vie separate. Questo aumenta, nel complesso, l’efficienza respiratoria, perché dove avvengono gli scambi gassosi è presente sempre aria ricca di ossigeno. 

Si è sempre ritenuto che l’evoluzione di un sistema respiratorio di questo tipo potesse essere spiegata con le particolari prestazioni richieste dal volo a organismi, gli uccelli, endotermici, cioè capaci di ricavare il calore dal proprio metabolismo e di mantenere così una temperatura costante ed elevata al loro interno. È stato però dimostrato che anche nei polmoni degli alligatori americani (Alligator mississipiensis) e del varano della steppa (Varanus exanthematicus) avviene un flusso d’aria unidirezionale simile a quello degli uccelli. Se dunque, come appare evidente, questo tipo di respirazione non si è evoluta solo per soddisfare le elevate richieste energetiche del volo, come possiamo giustificare la sua presenza in rettili come gli alligatori e i varani? Il metabolismo di questi organismi, peraltro, è ectotermico, cioè ricava il calore dall’esterno e non è in grado di mantenere all’interno dell’organismo una temperatura costante. Eppure in questi rettili i polmoni presentano tratti anatomici simili a quelli degli uccelli, che rendono possibile il flusso unidirezionale dell’aria durante la respirazione. I varani della steppa sono predatori, perciò in alcune circostanze sono capaci di prestazioni elevate, in termini di lavoro muscolare e resistenza. Il loro metabolismo richiede perciò un adeguato consumo di ossigeno. È proprio a questo che potrebbe servire la respirazione mediante flusso unidirezionale?

Una nuova scoperta, illustrata su Proceedings of the National Academy of Sciences, rende la questione ancora più controversa e costringe  a rivedere le idee sulla storia dell’evoluzione del sistema respiratorio nei Diapsidi, il gruppo da cui si sono originati dinosauri, uccelli e quelli che oggi definiamo rettili (fatta eccezione per le tartarughe, la cui esatta collocazione è ancora oggetto di discussione). Gli autori hanno dimostrato che anche nel sistema respiratorio delle iguane verdi (Iguana iguana) il passaggio dell’aria avviene attraverso un flusso unidirezionale, nonostante il fatto che l’anatomia dei polmoni di questi rettili sia differente non solo da quella degli uccelli ma anche da quella di altri rettili come i varani delle steppe e siano assenti alcune strutture ritenute, in precedenza, necessarie perché possa avvenire questo tipo di respirazione. Inoltre le iguane verdi sono animali erbivori, con un metabolismo dai consumi di ossigeno diversi da quelli di un predatore. 

La respirazione secondo flusso unidirezionale, dunque, potrebbe essersi evoluta per assolvere a funzioni diverse da quelle ipotizzate finora. Questa scoperta, come scrivono gli autori, apre a un altro scenario: il flusso unidirezionale era una caratteristica del sistema respiratorio dei Diapsidi prima delle separazione nelle due linee degli Arcosauromorfi (coccodrilli, dinosauri, uccelli) e dei Lepidosauromorfi (serpenti, lucertole, tuatara), nel periodo Permiano (tra 299 e 252 milioni di anni fa).

Ma c’è un’altra possibilità. Potremmo essere di fronte a un caso di convergenza evolutiva. Questo tipo di fisiologia respiratoria potrebbe essere comparsa più volte in modo indipendente lungo le diverse linee evolutive che hanno portato agli uccelli e ai rettili attualmente esistenti. 

Sarà necessario ampliare lo sguardo e studiare la fisiologia della respirazione in molti altri gruppi di vertebrati viventi, non solo rettili, per trovare la risposta di questo enigma evolutivo. 

Antonio Scalari


Riferimento: 
Robert L. Cieri, Brent A. Craven, Emma R. Schachner, and C. G. Farmer. New insight into the evolution of the vertebrate respiratory system and the discovery of unidirectional airflow in iguana lungs. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; DOI: 10.1073/pnas.1405088111 

Immagine da Wikimedia Commons