Il Pesce  N.2 Anno 2000 - La pagina scientifica

Morfologia e fisiologia della vescica natatoria nei pesci
di Mengoli A

Introduzione

La gran parte dei pesci Attinopterigi (Teleostei, Olostei e Condrostei) possiede un organo sacciforme contenente gas, con funzione prevalentemente idrostatica detta vescica gassosa (VG) o vescica natatoria (VN).
La vescica gassosa è generalmente compresa tra il tubo digerente, posto ventralmente, e la colonna vertebrale, i reni e l’aorta, posti dorsalmente (Schema A).
La sua posizione, in rapporto al centro di gravità del corpo del pesce, influisce sull’equilibrio di quest’ultimo. I pesci come la Perca fluviatilis e la Tinca vulgaris, nei quali il baricentro cade al di sotto della VG, possono restare in decubito NN senza sforzo alcuno, mentre in quelli nei quali la VG è posta al di sotto del baricentro il mantenimento del decubito NN comporta uno sforzo continuo delle loro pinne e, qualora vengano anestetizzati, si rovesciano, risalendo in superficie con il ventre all’aria.
In un siluride, Synodontis batensoda, dove la vescica è confinata molto dorsalmente ampliandosi però anche ventralmente, il mantenimento dell’equilibrio è assai pecuniario.
Embriologicamente la VN origina da una estroflessione dorsale del primo tratto intestinale che si è modificata durante il corso dell’evoluzione. Originariamente infatti veniva utilizzata come un situ dove realizzare scambi aerei gassosi. Questa funzione respiratoria è stata poi gradualmente persa ed è diventata nel tempo un organo di galleggiamento. Nei pesci fisostomi comunque la connessione fra intestino e VN persiste tramite dotto pneumatico, mentre nei pesci fisoclisti questa viene definitivamente persa durante lo sviluppo embrionale (Schema B).
La VG può avere inoltre forma sacciforme semplice o concamerata (nei Ciprinidi è divisa in due camere). In alcuni Taxa è connessa al labirinto; negli Ostariofisi (comprendenti specie appartenenti agli ordini dei Siluriformi e Cypriniformi) la connessione è data da una serie di ossicini che formano l’apparato di Weber. Questo apparato è costituito da una serie di ossicini (claustro, scafio, intercalare e tripode) derivati da parti delle prime vertebre, che collegano la parte cefalica della VG con il labirinto dell’orecchio interno; questa connessione realizza una interdipendenza funzionale tra vescica gassosa e labirinto, finalizzata alla regolazione dell’equilibrio e della posizione del pesce; l’intera struttura, inoltre, sembra essere in relazione con la ricezione e la produzione di suoni.
Alla vescica natatoria si possono attribuire due funzioni separate: una escretrice e una riassorbente, anche se la reale anatomia di queste sezioni varia da specie a specie.
Nell’anguilla europea, Anguilla anguilla, il dotto pneumatico si sviluppa all’interno della sezione assorbente della vescica natatoria, che può essere separata dalla funzione secretoria tramite uno sfintere muscolare. Nel merluzzo o nel pesce persico una sezione speciale della parte secretoria della VN (l’ovale) può venire separata dal resto della VN grazie all’attività muscolare e ha la funzione di permettere il riassorbimento del gas.

VG aperte e chiuse
Pesci fisostomi e fisoclisti
Le VG possono essere aperte o chiuse a seconda se il dotto pneumatico, che durante l’ontogenesi le collega al tubo intestinale, persiste o si oblitera allo stadio adulto. Come già ricordato i pesci provvisti di VG aperta (cioè con dotto pneumatico persistente) sono detti fisostomi, mentre quelli con VG chiusa (privi di dotto pneumatico) fisoclisti. Si può vedere nello Schema C il confronto fra la conformazione della VG di un pesce fisostomo (Anguilla anguilla) rispetto a quella di un pesce fisoclisti (es. Perca fluviatilis). In linea generale sono fisostomi i pesci ossei più primitivi, ad esempio i clupeiformi, i ciprinoformi e gli anguilliformi, mentre sono fisoclisti i pesci più evoluti come i perciformi e i pleuronectiformi (Bertini, 1958). Un elenco di tipi di vesciche presenti in alcuni ordini di pesci è riportato nello Schema D.

Morfologia
La VG ha forma assai variabile da specie a specie, anche in funzione della forma del corpo. Può presentarsi come sacco unico più o meno affusolato; suddivisa da una strozzatura (dotto comunicante) in una camera posteriore e in una anteriore, come nei Ciprinidi; a bisaccia, come in certi Cobitidi, o più complicata per la presenza di un numero vario di diverticoli. In Sceiaenidae i numerosi diverticoli ramificati che si dipartono dalla VG sono pieni e servono a fissarla alle aponeurosi dei muscoli addominali (Schema E).
In genere nei fisostomi la VG è a camera singola, ad eccezione dei Chanidae e degli Ostariophysi dove è suddivisa da una strozzatura o dotto comunicante; in alcune specie gli scomparti possono essere tre (Ciprinidi). Nei fisoclisti la VG normalmente è costituita da una sola camera che a volte è resa anfrattuosa dalla presenza di setti più o meno regolari che la suddividono in scomparti variabili per forma e per ampiezza tanto che la VG finisce per presentare una struttura spongiosa. La caratteristica suddivisione interna in queste vesciche gassose è in rapporto alla capacità sia respiratoria che sonora, che l’organo ha in molte specie ittiche.

Struttura della parete della vescica natatoria
La parete della VN è costituita da una tunica interna e una esterna, ulteriormente meglio suddivisibili in diversi strati.
La tunica interna consta infatti, procedendo dall’interno verso l’esterno, di un epitelio a morfologia assai variabile da zona a zona, di una lamina profonda e generalmente anche di uno strato di fibre muscolari, lisce o "muscolaris mucosae", molto irrorate e innervate (Morris-Albright, 1975).
La tunica esterna riccamente vascolarizzata è costituita dall’interno verso l’esterno da uno strato connettivale (sottomucosa), da uno strato muscolare striato (intrinseco ed estrinseco) e da una sierosa.
Valutiamo di questi più approfonditamente:
a) l’epitelio vescicale,
b) la sottomucosa,
c) la muscolatura striata.

a) Epitelio vescicale
Nell’anguilla l’epitelio della parete della VN è fatto di cellule ghiandolari gassose. In altri pesci le cellule ghiandolari gassose possono essere raggruppate assieme in una struttura più compatta, occasionalmente anche in alcuni strati di cellule ghiandolari gassose. Le cellule ghiandolari gassose sono cilindriche o cuboidi di grandezza variabile da 10 a 25 mm fino a cellule giganti da 50-100 mm o anche maggiori. Le cellule sono polari con un ampio labirinto basale e alcuni piccoli microvilli sulla parte luminale. Sono spesso ricchi in strutture vescicolari. I mitocondri tipicamente sono scarsi e, a differenza delle cellule tipicamente secretorie, il labirinto basale non è accompagnato da un gran numero di mitocondri.
L’epitelio che tappezza la VG non presenta le stesse caratteristiche morfologiche in tutta la sua estensione: da pavimentoso diviene in alcuni tratti iso e batiprismatico e da semplice può trapassare in stratificato (come nelle VG chiuse di certi Gadidi). Tale complessa variabilità è legata al fatto che in alcune aree l’epitelio di rivestimento si specializza per la liberazione dei gas e in altre per il suo riassorbimento. Nel primo caso l’epitelio si presenta sempre batiprismatico, semplice o stratificato. L’estensione e i rapporti reciproci delle diverse aree epiteliali variano a seconda se si considerano pesci fisoclisti o fisostomi. Nei fisoclisti l’epitelio batiprismatico liberante i gas è nettamente delimitato da quello pavimentoso riassorbente, tanto che in questi pesci si parla di vera e propria ghiandola del gas, mentre nei fisostomi cellule epiteliali dei due tipi sono fra di loro frammiste (Schema F).

b) sttomucosa
È costituita per la maggior parte del suo spessore da fini fibre collagene e più esternamente da una serie di lamelle di fibre collagene ed elastiche, tra le quali possono a volte rinvenirsi fibrocellule muscolari lisce. La sottomucosa può essere impregnata di cristalli di guanina, che rendono la parete della VN altamente impermeabile ai gas. In alcuni pesci elevate quantità di materiali membranosi sono sistemati a mo’ di struttura bistratificata. Queste membrane stratificate servono probabilmente a ridurre la permeabilità gassosa della parete della VN. Sotto la sottomucosa sono presenti tipiche cellule lisce muscolari, che caratterizzano lo strato della muscolaris mucosa nella tunica interna.

c) Muscolatura striata
La capacità che la VG ha di agire come organo della fonazione è legato alla presenza di muscoli striati, ad essa variamente correlati, in grado di trasmettere i loro movimenti vibratori alla vescica stessa. Questi muscoli possono essere situati esternamente alla parete vescicale, cosiddetti estrinseci, oppure incorporati alla stessa, cosiddetti intrinseci, o essere presenti contemporaneamente (Schema G). Rauther (1937) ha dimostrato che nei Triglidi la muscolatura striata intrinseca deriva dalla graduale incorporazione, dagli stadi giovanili in avanti, di muscolatura originariamente estrinseca; solo in alcune specie, come Triglia lyra, il cui sviluppo si arresta allo stadio giovanile, la muscolatura rimane estrinseca. Questa evoluzione ontogenetica spiega la presenza di muscolatura striata innervata dalle radici ventrali dei nervi occipito-spinali, nello spessore della parete vescicale.
— Muscolatura intrinseca. Questo tipo di muscolatura esiste nei Bagridae, Sciaenidae, Triglidae, Batrachoididae e Zeidae. I muscoli intrinseci sono posti o sui lati o nella parte anteriore della vescica. Poiché quest’ultima è fortemente adesa alla parete dorsale tramite legamenti, sotto l’azione di questi muscoli viene continuamente compressa e rilassata al pari di una palla di caucciù che fluttui tra il pollice e l’indice (Bertin, 1958).
— Muscolatura estrinseca. Nei Triglidi la muscolatura estrinseca è rappresentata da due grossi muscoli intercostali, rossi, striati, potenti, posti sulla volta addominale, che si inseriscono in avanti sul cranio e sulla cintura scapolare, aderendo alla vescica nella sua parte posteriore. Nei Sciaenidi sono presenti muscoli addominali le cui aponeurosi sono in rapporto con diverticoli della vescica. Nel Cynocion regalis i muscoli estrinseci si inseriscono sul fianco della parete vescicale. Questo paio di muscoli sono presenti solo nel maschio e sono completamente sviluppati durante il periodo stagionale di maturità sessuale, quando il pesce è capace di emettere un’ampia varietà di suoni e vanno incontro ad atrofia temporanea negli altri periodi dell’anno (Dana Ono-Poss, 1982). Secondo questi autori il diametro medio di queste fibre muscolari è di 29 mm, contro i 131 mm delle fibre muscolari del tronco. Una tipica fibra muscolare di vescica di esemplari di grosse dimensioni è lunga circa 3 cm e corre per tutta la lunghezza del muscolo dall’origine alla terminazione. Le fibre con numerose miofibrille arrangiate a nastro e con mitocondri, glicogeno e reticolo sarcoplasmatico assai stipati al centro hanno una innervazione multipla.
I muscoli in questione sono di colore rosso intenso, ma per gli autori non vanno classificati come tipici muscoli rossi (lenti), perché hanno anche caratteristiche proprie del muscolo bianco (rapido), quali l’abbondante reticolo sarcoplasmatico e l’assenza di gocce lipidiche sempre molto numerose invece nel muscolo rosso. Supposizione questa già provata dagli studi fisiologici di Skoglund (1959), dai quali risulta che nel pesce rospo, Opsanus tau, la muscolatura intrinseca della VG registra al picco di contrazione muscolare un tempo di 5-8 msec., contro i 50-80 msec. delle fibre muscolari lente dei mammiferi. Anche dai dati biochimici di Hamoir, Gerardin-Otthiers e Focant (1980) sulla stessa specie risulta il carattere di rapidità di questa muscolatura, indicata come "superfast", provvista di un contenuto di paralbumina da due a tre volte maggiore rispetto a quello del muscolo laterale bianco. Da tutto ciò ne consegue come siano superate e nel contempo fuorvianti le correlazioni morfo-funzionali basate unicamente su dati quali il colore e il diametro delle fibre. Alcune caratteristiche della muscolatura estrinseca della VG (topografia, numero delle terminazioni tendinee…) a volte specie-specifiche possono fornire ulteriori contributi per la classificazione di specie all’interno di uno stesso genere, come dimostrato da I-Hsunhi (1981), D.J. Power e I-Hsunhi (1982), in pesci del genere Sebastes.

Vascolarizzazione
Nella maggior parte dei pesci la VG riceve sangue arterioso da una branca dell’arteria celiaca che a sua volta lo riceve dall’aorta dorsale (Steen, 1970). Questa branca dapprima cede uno o più rami alla rete capillare della parte riassorbente della parete vescicale, poi forma una o più reti capillari per la parete in genere, e infine vi è la rete capillare della parte liberante il gas.
Il drenaggio venoso è duplice; il sangue refluo dalla parte secernente passa nel sistema portale epatico, quello refluo dalla parte riassorbente passa invece nelle vene cardinali posteriori (Jones-Marshall, 1953). Tutto il sangue che va alla parte liberante il gas e che da qui ne fuoriesce passa attraverso una rete mirabile, cosa che non accade nell’area riassorbente. Esistono quindi due letti capillari separati, nelle due aree. La rete mirabile è ben sviluppata nei fisoclisti, spesso solo accennata nei fisostomi, specialmente Salmonidi e Ciprinidi, e assente nell’aringa, Clupea harengus (Fahlen, 1967). Nelle vesciche dei fisoclisti i capillari della rete si continuano direttamente nei capillari che irrorano l’epitelio liberante il gas, formando con questi un unico sistema capillare o rete unipolare (Schema H).
Nei fisostomi invece e nell’anguilla, che pur essendo un fisostoma ha una vera ghiandola del gas come i fisoclisti, si hanno reti bipolari: in questo caso i capillari della rete mirabile sono separati da quelli dell’epitelio ghiandolare dall’interposizione di una vena prerete e di un’arteria postrete.
Nell’anguilla europea, ad es., l’arteria che apporta il sangue ai tessuti della VG, all’inizio della rete si divide in migliaia di capillari arteriosi, che per una lunghezza di alcuni millimetri corrono in parallelo per poi riaggrupparsi, formando due o più vasi più grandi che riforniscono il tessuto della VN. I vasi venosi che ritornano dalla parte secretoria della VN, all’entrata della rete mirabile di nuovo si separano in alcune migliaia di capillari venosi, cosicché all’interno della rete ogni capillare arteriolare è circondato da capillari venosi con una distanza di diffusione fra loro di circa 1-2 mm. Dopo il passaggio attraverso la rete mirabile i capillari venosi si raggruppano nuovamente in una singola vena che affluisce all’interno della circolazione epatica.
Per rete mirabile si intende quindi "l’insieme dei capillari arteriosi e venosi strettamente associati nel formare un sistema di irrorazione a controcorrente per il settore gas-liberante della vescica gassosa" (Jasinski-Kilarski, 1971). Ricordiamo che in passato la ghiandola del gas era indicata, proprio a causa della sua ricca vascolarizzazione, come corpo rosso.
Caratteristica importante per le implicazioni funzionali che comporta è il fatto che, a livello della rete mirabile, i capillari arteriosi e venosi sono in intimo contatto tanto che il sangue arterioso scorre a una distanza media, da quello venoso, valutata in 1,5 mm (Scholander, 1954). Tale intima connessione genera un sistema controcorrente che mantiene elevate le tensioni dei gas necessarie per il gonfiamento della camera anteriore della vescica (Morris-Albright, 1975).
Per dare un’idea delle dimensioni di tale rete capillare, si pensi che Krogh, nel 1929, contò 88.000 capillari venosi e 116.000 arteriosi nella rete mirabile di un’anguilla, pari rispettivamente a 352 e 464 metri di lunghezza complessiva, e una superficie totale di 211 m; il tutto però contenuto in un volume di 0,064 cm, di cui i due terzi occupati da sangue.

Dotto pneumatico
Come già detto, nei fisostomi il gas può entrare e uscire dalla VG attraverso il dotto pneumatico. Nella maggior parte dei fisostomi il dotto è relativamente lungo, con pareti spesse e un lume ristretto; origina dalla posizione posteriore della parete vescicale e si porta alla parete dorsale o laterale dell’esofago, oppure nei clupeidi, nel sacco cieco dello stomaco.
Nei Salmonidi, nel luccio e in pochi altri fisostomi, il dotto è più breve e origina dalla parte anteriore della VG.
La parete del dotto presenta un epitelio monostratificato con cellule cigliate e non cigliate simile a quello presente in alcuni tratti della VG già in precedenza descritto. Caratteristica è la componente muscolare di tipo striato data da fibre longitudinali e circolari che spesso si estendono per tutta la lunghezza del dotto, come ad esempio nella lasca, Chondrostoma genei (Jones-Marshall, 1953).
Lo sbocco nel canale gastro-enterico è a volte fornito di uno sfintere costituito da fibre muscolari striate in continuità con la muscolatura pure striata dell’esofago (carpa, lasca e tinca; Guyenot 1909).

Innervazione
La VG è innervata da rami del vago intestinale, da branchie del simpatico provenienti dal ganglio celiaco e da fibre nervose derivanti dai nervi spinali.
Terminazioni nervose sono state osservate nella zona di riassorbimento, nell’ovale, nella rete mirabile e nell’epitelio liberante gas; ben innervato è pure lo strato muscolare striato della parete.
Stannius (1842) descrisse, nel merluzzo, Gadys morhua, un ramo vagale sinistro che raggiunge la ghiandola del gas e un ramo del vago destro che innerva la rete mirabile. Nei Ciprinidi, studiati da Evans (1925) e Franz (1937), il ramo vagale sinistro emette branche per lo sfintere del dotto pneumatico, per il dotto stesso e per la camera posteriore; il ramo vagale destro sembrerebbe innervare solo la camera posteriore; quindi secondo questi autori l’innervazione vagale della vescica appare asimmetrica. Anche il simpatico innerva la ghiandola del gas, in questo caso i rami nervosi provengono dal ganglio celiaco, posto ad anello intorno alla porzione prossimale dell’arteria celiaco-mesenterica (Jones-Marshall, 1953).

La muscolatura striata è innervata da rami nervosi derivanti da nervi spinali: tali fibre originano dal 3º-4º paio fino al 10º-11º. Le terminazioni sulla fibra sono molto numerose, distanti fra loro di 15-50 mm nel caso delle grosse terminazioni mieliniche, di 5-10 mm per le piccole mieliniche. Tali terminazioni contengono oltre alle normali vescicole agranulari (25-50 nm di diametro) delle altre vescicole, più elettrondense (60-80 nm) (Dana Ono-Poss, 1981). Si notano poi, sulla membrana postsinaptica, lunghe ripiegature postgiunzionali, avvolgenti il sarcolemma.
Per quanto riguarda l’innervazione del dotto pneumatico Evans (1925) nella tinca descrive la presenza di un plesso nervoso formante un anello intorno allo sfintere, senza accennare alla doppia innervazione vagale e simpatica. In Phoxinus laevis, Franz (1937) descrisse un ramo intestinale del vago sinistro e un ramo del simpatico che avrebbero ceduto qualche terminazione allo sfintere.

FISIOLOGIA
La capacità di galleggiamento della VG sembra essere più efficiente se la densità del mezzo di sospensione è più bassa possibile. Comparandola con la densità dell’acqua, la densità di una cavità gassosa è quasi nulla, almeno per pressioni gassose moderate. Perciò non sorprende che molti Teleostei facciano uso di cavità piene di gas ( vescica natatoria), come organo di galleggiamento.
Lanzardo: aspetto VN in sito previa asportazione pacchetto intestinale e apparato riproduttore.
Facendo alcuni calcoli si può osservare come i pesci di acqua dolce mantengano un galleggiamento neutrale con una VN pari all’8% del volume corporeo; mentre nei pesci marini si ottiene lo stesso risultato con un volume pari al 5 % del volume totale corporeo. Si deve inoltre tener presente che la parete della vescica natatoria è flessibile e secondo la legge di Boyle sia il volume che la pressione cambiano con i cambiamenti della pressione idrostatica.
La pressione idrostatica a sua volta cambia con la profondità marina dell’acqua, cresce di 1 atm ogni 10 metri di profondità dell’acqua. Così alla superficie la pressione idrostatica e la pressione del gas della VN è di una atmosfera, invece a una profondità dell’acqua di 1.000 metri è 101 atmosfere.
Come conseguenza per poter mantenere uno stato di galleggiamento neutro il pesce durante i cambiamenti di posizione verticale deve tenere il volume della VN costante o attraverso un riassorbimento del gas mentre ascende o per deposizione di gas mentre discende.
Per arrivare a un galleggiamento neutro attraverso la VN, perciò, viene richiesto un efficiente meccanismo di riassorbimento del gas e di secrezione del gas e anche efficienti meccanismi di controllo che misurino il volume della VN e aggiustino il riassorbimento o l’attività secretoria di conseguenza.

Composizione del gas
Parlare genericamente della composizione del gas della VN è molto difficile perché il tipo di gas della VN varia da specie a specie e dipende dall’attività secretoria della VN. Si possono fare e sono state fatte alcune osservazioni in generale. È ben noto che i Salmonidi possono accumulare idrogeno quasi puro all’interno della VN. Nei pesci abissali il contenuto di O2 della VN aumenta con l’aumento della profondità dell’acqua. In molte specie il gas appena prodotto consiste in O2 e CO2. Il contenuto di CO2 può elevarsi fino al 25-30%, ma viene poi rapidamente riassorbito e in condizioni di stato fermo sono presenti solo tracce di CO2 all’interno della VN. Come l’O2 e la CO2 anche l’azoto gassoso (gas inerte) può essere trovato in concentrazione più alta di quella che ci si potrebbe aspettare in base alla pressione parziale dell’acqua (che assolutamente non aumenta con l’incrementare della profondità dell’acqua e quindi della pressione idrostatica).

Secrezione gassosa
Il gas viene depositato all’interno della vescica gassosa semplicemente per diffusione dal sangue della vescica natatoria. A causa della bassa pressione totale del gas nell’acqua, e di conseguenza nel sangue arterioso (dopo il passaggio attraverso le branchie), pressione che difficilmente supera 1 atmosfera anche ad elevata profondità, i gas devono venire concentrati nella VN, per poter arrivare alle pressioni parziali più elevate atte a consentire il trasferimento per diffusione del gas nel lume della VN. Com’è stato dimostrato da Kuhn e coll. questa concentrazione di gas viene effettuata in due stadi:

Cavedano: aspetto VN in sito previa asportazione pacchetto intestinale e apparato riproduttore.
a) un aumento iniziale della pressione parziale del gas indotta da una diminuzione della solubilità effettiva del gas nel sangue (effetto della concentrazione singola);
b) una conseguente moltiplicazione di questo effetto di concentrazione singola per concentrazione in controcorrente. L’effettiva solubilità del gas nel sangue è ridotta dagli acidi metabolici che sono prodotti e rilasciati dalle cellule ghiandolari gassose dell’epitelio della VN.

1. Metabolismo delle cellule ghiandolari gassose
Il metabolismo delle cellule ghiandolari gassose è specializzato per la produzione di acido lattico e anidride carbonica nel metabolismo anaerobico (Schema I). Il metabolismo energetico delle cellule ghiandolari gassose dipende principalmente dal prelievo di glucosio dal sangue; le riserve di glicogeno interne probabilmente sono troppo piccole per avere una certa importanza. Le cellule ghiandolari gassose mancano dell’effetto Pasteur così, indipendentemente dalla presenza di O2, il glicogeno verrebbe principalmente convertito in acido lattico. Nell’anguilla europea Anguilla anguilla, l’ossidazione aerobica del glucosio praticamente è minima, mentre circa il 20% del glucosio viene decarbossilato dall’enzima 6-fosfogluconato-deidrogenasi nello shunt del fosfato pentoso. I prodotti metabolici finali del metabolismo del glucosio perciò sono l’acido lattico e l’anidride carbonica, principalmente formati senza un consumo concomitante di O2. In accordo con la polarità delle cellule ghiandolari gassose, l’acido lattico viene rilasciato nel torrente circolatorio sanguigno e l’anidride carbonica, essendo un gas, diffonde lungo i gradienti di pressione parziale all’interno del sangue come anche all’interno del lume della VN.

2. Effetto della concentrazione singola
Nel sangue, i metaboliti acidi riducono l’effettiva capacità di trasporto del gas per tutti i gas.
Lo Schema L presenta un sommario dei vari meccanismi che contribuiscono all’iniziale aumento della pressione parziale gassosa. La solubilità fisica dei gas fluidi (a) nei fluidi è ridotta con l’aumento della concentrazione salina (effetto salting-out), cosicché l’aumento nel sangue della concentrazione del lattato durante il passaggio attraverso le cellule ghiandolari gassose (Schema L — Fig. A) causa una riduzione della solubilità fisica di tutti i gas nel sangue (Schema L — Fig. B).
Secondo la legge di Henry questo decremento della solubilità dà luogo a un aumento nella pressione parziale dei gas. Per i gas inerti questo sembra essere il solo modo per indurre un aumento delle loro pressioni parziali, che Pelster e coll. hanno calcolato essere dell’ordine di solo l’1%. La situazione è molto diversa per i gas trasportati principalmente in uno stato chimicamente legato, ad es. la CO2 e l’ossigeno. Secondo la reazione CO2 + H2O = HCO3— + H+, catalizzata dall’enzima anidrasi carbonica, la CO2 è in equilibrio con HCO3— (carbonato). La maggior parte della CO2 nel sangue realmente è presente come carbonato (HCO3—). La secrezione acida delle cellule della ghiandola gassosa sposta l’equilibrio di questa reazione verso la formazione di anidride carbonica, risultante in un significativo incremento della pressione parziale della CO2 nel sangue (Schema L — Fig. C). Questo aumento acido indotto della pressione parziale della CO2 è incrementato dalla produzione di CO2 col metabolismo. L’azione combinata dell’acidificazione del sangue e della produzione di CO2 dà luogo a un significativo aumento della pressione della CO2 nel sangue.
Kobayashi e coll. hanno prelevato campioni di sangue in vari punti del sistema vascolare della VN e hanno misurato un aumento della pressione parziale dell’anidride carbonica da 4,1 a 8,3 kPa durante il passaggio attraverso le cellule ghiandolari gassose. L’ossigeno è trasportato legato all’emoglobina e l’emoglobina nei pesci muniti di vescica natatoria è caratterizzata tipicamente dall’effetto Root. Nell’effetto Root l’acidificazione dell’emoglobina non riduce solamente l’affinità emoglobinica per l’ossigeno (effetto Bohr), ma riduce anche la capacità dell’emoglobina di trasportare l’ossigeno. Con l’aumento della concentrazione protonica, parte dell’emoglobina è chiusa nello stato deossigenato, cioè lo "stato T", e non può legare ossigeno anche a elevate pressioni parziali di O2. L’analisi dettagliata della struttura cristallina del punto di legame dell’emoglobina di Leiostomus xanthurus (un tipico effetto Root dell’emoglobina) ha indicato che, in contrasto alla maggior parte degli altri effetti allosterici sull’emoglobina, la base strutturale dell’effetto Root è una modulazione dello "stato R", cioè dello stato ossigenato. Mylvaganan e coll. hanno identificato 7 aminoacidi che in combinazione con aminoacidi addizionali tipicamente presenti nella maggior parte delle emoglobine permettono di destabilizzare a bassi pH lo stato R e così promuovere il cambiamento dallo stato R ossigenato allo stato T.
L’espressione dell’effetto Root può essere aumentata dalla presenza del fosfato organico (ATP, GTP) negli eritrociti, ma in condizioni fisiologiche già un aumento della concentrazione ematica di protoni sembra scatenare l’inizio dell’effetto Root. Così, pure l’acidificazione del sangue durante il passaggio attraverso le ghiandole gassose inizia l’effetto Root e con la transizione allo stato T l’O2 viene rilasciato dall’emoglobina. L’ampiezza dell’effetto Root dipende dalla composizione dell’emoglobina. Elettroforeticamente l’emoglobina di pesce spesso può essere separata in componenti anodiche e catodiche, ma solamente le componenti anodiche dimostrano un effetto Root. Combinando i dati sulle caratteristiche di legame dell’O2 all’emoglobina e quelli sul pH del sangue che irrora la vescica natatoria, Pelster e Weber hanno calcolato che nell’anguilla europea circa il 40% dell’emoglobina può essere convertito allo stato T durante il passaggio attraverso la vescica natatoria e in dipendenza della concentrazione ematica di emoglobina nel sangue provocherà un aumento molto pronunciato della pressione parziale dell’O2 nel sangue (Schema L — Fig. D).
Come dimostrato nello Schema L l’ampiezza dell’aumento iniziale della pressione parziale del gas è abbastanza differente a seconda dei diversi gas. Mentre per l’azoto, rappresentativo dei gas inerti, si può prevedere solamente un decremento molto piccolo della sua solubilità fisica e così si ha di conseguenza un incremento molto piccolo della pressione parziale del gas; per la CO2 e specialmente per l’O2 l’acidificazione del sangue nella vescica natatoria comporta un forte incremento nelle pressioni parziali dei gas. È importante notare tuttavia che questo aumento iniziale della pressione parziale per i gas inerti e l’O2 non è associato a un cambiamento nella concentrazione del gas e che rimangono costanti. Solamente la CO2 incrementa leggermente in concentrazione a seguito della produzione di CO2 da parte del metabolismo del glucosio.
L’incremento della pressione parziale del gas può dar luogo alla diffusione di gas dal sangue al lume della vescica natatoria ove di conseguenza si accumulerà. In relazione all’entità dell’accumulo di questo gas, la pressione parziale del gas del sangue venoso che ritorna alla rete mirabile sarà più elevata rispetto alla pressione arteriosa del sangue che lascia la rete mirabile e che non ha ancora raggiunto le cellule gassose ghiandolari. Nel sistema controcorrente della rete mirabile, perciò, si forma un gradiente pressorio dai capillari venosi a quelli arteriosi, che esita in una retrodiffusione di gas dalla parte venosa verso la parte arteriosa e perciò in una moltiplicazione in controcorrente dell’effetto singolo di concentrazione.

3. Concentrazione in controcorrente
La rete mirabile rappresenta un sistema in controcorrente con distanza di diffusione molto breve tra i capillari arteriosi e venosi (1-2 mm) e con un’ampia superficie. A seguito di una riduzione della capacità effettiva di trasporto del gas da parte del sangue, durante il passaggio attraverso la ghiandola del gas, il gas inerte, la CO2 e l’O2 mostrano una diffusione retrogada dai capillari venosi ai capillari arteriolari. Come conseguenza le pressioni parziali del gas venoso e le concentrazioni di gas diminuiscono durante il passaggio attraverso la rete mirabile, mentre le concentrazioni e le pressioni parziali del gas arterioso aumentano. Così la diffusione retrograda dei gas dà luogo a una concentrazione di gas a livello arteriolare della rete mirabile. Sulla base di modelli di calcolo è stato predetto che in dipendenza dell’ampiezza dell’effetto della concentrazione singola, della conduttanza diffusiva del gas e della permeabilità della rete mirabile, si possono tenere nel sistema in controcorrente pressioni parziali di gas fino ad alcune centinaia di atmosfere. Questo è sufficiente a spiegare la presenza di pesci con una vescica natatoria piena di gas a profondità di alcune migliaia di metri. Se la conduttanza diffusiva e la permeabilità della rete mirabile sono elevati, anche aumenti iniziali ridotti nella pressione parziale dei gas (effetto della concentrazione singola) possono essere significativamente moltiplicati (Schema M). La conduttanza diffusiva comprende l’area di superficie disponibile per lo scambio diffusivo, di conseguenza un aumento dell’area di superficie aumenterà la capacità di concentrazione del gas di un sistema a controcorrente, e perciò la lunghezza della rete mirabile capillare aumenta con l’aumentare della profondità in cui vive una determinata specie ittica.
I primi studi sui meccanismi di concentrazione in controcorrente avevano preso in considerazione solamente la diffusione dei gas. Tuttavia le misure della concentrazione del lattato ematico prima e dopo la rete mirabile nell’anguilla europea hanno dimostrato una diffusione retrograda e una concentrazione in controcorrente di un soluto. Un aspetto interessante della concentrazione dei gas in un sistema in controcorrente è l’osservazione che l’abilità di concentrare i gas è incrementata dalla permeabilità delle membrane della rete mirabile ai soluti. La diffusione retrograda del lattato dalla porzione venosa alla parte arteriosa della rete mirabile aumenterà la concentrazione di lattato nei vasi arteriosi della rete e potrà così indurre una diminuzione nella solubilità fisica dei gas nel sangue secondo l’effetto "salting-out". Questo aumenterà la pressione parziale del gas del sangue arterioso oltre alla concentrazione in controcorrente che si è avuta dalla diffusione retrograda del gas stesso. Allo stesso modo la diffusione retrograda dell’anidride carbonica nella rete mirabile aumenterà la pressione parziale dell’ossigeno nel sangue arterioso. Come puntualizzato precedentemente la produzione della CO2 nel metabolismo delle cellule ghiandolari gassose e l’acidificazione del sangue durante il passaggio attraverso le cellule ghiandolari gassose comporta che la pressione parziale dell’anidride carbonica nel sangue venoso di ritorno dalla rete mirabile è più alta rispetto al sangue arterioso che entra nella rete mirabile. Questo comporta una retrodiffusione della CO2 dai capillari venosi ai capillari arteriosi della rete mirabile e una contrazione in controcorrente di tipo classico della CO2. L’aumento della pressione parziale dell’anidride carbonica, tuttavia, induce un rilascio di ossigeno dall’emoglobina (effetto Root) e un concomitante incremento della pressione parziale dell’anidride carbonica indipendentemente dalla diffusione retrograda dell’ossigeno. Così l’incremento fino a elevate pressioni parziali di O2 nel sangue della vescica natatoria sembra essere strettamente legato al destino dell’anidride carbonica. La capacità della vescica natatoria di aumentare la pressione parziale del gas e di concentrare i gas è stata dimostrata dagli studi di Kobayashi e coll. Durante il passaggio attraverso i vasi capillari del sistema controcorrente anche in condizioni di pressione atmosferica la pressione parziale dell’anidride carbonica e dell’ossigeno nel sangue aumentano rispettivamente da 0,5 a 4 kPa e da 5,3 a 37,5 kPa (Schema N). La secrezione acida delle cellule ghiandolari gassose provoca un ulteriore incremento delle pressioni parziali del gas. Nei capillari venosi della rete la pressione parziale della CO2 e dell’O2 decrementano per una diffusione retrograda delle molecole di gas verso la parte arteriosa e per un’alcalinizzazione del sangue.

Riassorbimento del gas
La pressione parziale del gas della vescica natatoria supera la pressione parziale dei gas disciolti nell’acqua circostante. Così, aumentando la profondità dell’acqua, la pressione di questi gas per uscire dalla vescica natatoria aumenta. In molte specie la perdita diffusionale del gas dalla VN è ridotto dall’accumulo di guanina e cristalli di ipoxantina nella sottomucosa, che riduce così la sua permeabilità ai gas per più di due ordini di grandezza. L’incrostazione di guanina è responsabile dell’aspetto argentato della parete della VN. Un’altra strategia per ridurre la permeabilità dei gas della parete della VN sembra essere l’accumulo di strati di membrane lipidiche. In un certo numero di teleostei è stata trovata una grande quantità di placche costituite da numerosi strati di dischi membranosi con la tipica struttura bistratificata.
La rete mirabile funziona come una barriera che previene la perdita di gas dalla VN attraverso il sangue. Il sangue venoso che lascia la sezione secretoria della VN deve passare attraverso la rete mirabile. Analogamente a uno shunt di diffusione, il gas passa dai capillari venosi alla rete arteriosa e ritorna alla VN: la rete così non solo gioca un ruolo nella deposizione del gas ma anche nel suo mantenimento all’interno della vescica.
La parte secretoria della VN è strutturata per trattenere il gas, anche se non è completamente impermeabile ai gas. Quando un pesce risale deve rimuovere il gas dalla vescica per impedirne una distensione e per fare questo viene aperta la parte riassorbente della vescica, che viene poi richiusa dall’attività muscolare (l’ovale nella tinca) o attraverso un dotto pneumatico modificato come ad es. nell’anguilla. La sezione di riassorbimento della VN ha un proprio afflusso di vascolarizzazione sanguigna ed è altamente vascolarizzata. I suoi vasi venosi non passano attraverso la rete mirabile. Il gas che entra nella sezione di riassorbimento della VN ha un’elevata pressione parziale di gas rispetto al sangue (vedi sopra) e così come in un polmone alveolare il gas viene riassorbito. Il riassorbimento del gas è correlato anche alla sua capacità di trasporto nel sangue e quindi i gas più solubili sono più prontamente riassorbiti. Questo spiega perché la CO2, che è tipicamente presente nei gas appena depositati, non è riscontrabile invece in condizione normale. Il riassorbimento contribuisce anche all’accumulo dei gas inerti (meno solubili) nella VN.

Accumulo lipidico nella vescica natatoria
In molti pesci di profondità intermedia e pesci abissali di elevata profondità sono presenti elevate quantità di lipidi nella VN. Nelle cosiddette "VN rivestite di grasso" dei myctofidi o di Latimeria chalumnae il grasso è accumulato tra il peritoneo e la tunica esterna. È un grasso composto prevalentemente da esteri di cera. Sembra essere extracellulare, il che suggerisce che questo lipide non è disponibile per il metabolismo intermedio. Una VN rivestita di grasso è abbastanza comune nei pesci di profondità media che sono soliti effettuare delle migrazioni verticali abbastanza estese. Un esempio importante di una VN rivestita di grasso è quella di Latimeria chalumnae, un predatore con galleggiamento quasi neutrale. Il grasso consiste quasi esclusivamente di esteri cerosi o di cera che costituiscono il 97% dei lipidi della VN.
In contrasto alle VN rivestite di grasso, le cosiddette "VN ripiene di grasso" sono pienamente funzionali in termini di deposizione di grasso e contengono un certo volume di gas. Poiché le VN ripiene di grasso si riscontrano nei pesci di elevata profondità, in questo grasso è disciolta una grande quantità di O2. Dalle VN ripiene di grasso possono essere isolate elevate quantità di lipidi di membrana e questi lipidi sono costituiti prevalentemente di fosfolipidi e colesterolo. Questo grasso apparentemente sembra essere sintetizzato nelle VN, di conseguenza elevate quantità di membrane possono essere isolate da queste vesciche, com’è stato dimostrato per Antimora rostrata. Sembra assodato che l’accumulo di lipidi bistratificati di membrana riduce la permeabilità al gas della parete della VN.

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Alfredo Mengoli

Veterinario ufficiale - Asl Bologna Sud Specializzazione:
"Allevamento, igiene, patologia delle specie acquatiche e controllo dei prodotti derivati"

Facoltà di Veterinaria - Università degli Studi di Milano