I primissimi antichi vertebrati che hanno camminato sulla nostro pianeta decine di milioni di anni fa, potrebbero aver compiuto lo stesso gesto, ma nelle profondità dell’oceano, milioni di anni prima che i loro discendenti conquistassero la terra ferma.
I ricercatori hanno scoperto che un piccolo pesce skate (Leucoraja erinacea) e alcuni squali basali sono in grado di “camminare” lungo il fondo dell’oceano utilizzando molti degli stessi circuiti neurali che noi usiamo oggi per camminare.
Si è sempre pensato che gli antichi vertebrati abbiano iniziato a camminare solo dopo aver conquistato la terraferma, circa 380 milioni di anni fa. Ma alcuni modelli estrapolati dallo studio effettuato sul piccolo pesce skate, uno degli animali più primitivi a possedere una spina dorsale, suggeriscono un’origine molto più antica, forse risalente a più di 400 milioni di anni fa.
Lo skate è un pesce cartilagineo strettamente imparentato ai raggi e agli squali. A differenza dei raggi e degli squali, ogni specie di skate è assolutamente innocua per l’uomo. Come i raggi, i pesci skate tendono a muoversi lungo i fondali delle aree oceaniche poco profonde, nutrendosi principalmente di piccoli pesci e crostacei.
Utilizzando i dati video sul movimento di questa creatura che vive a stretto contatto con il fondale oceanico, i matematici hanno realizzato un modello per indagare come gli antichi vertebrati abbiano abbiano sviluppato movimenti di deambulazione nelle profondità dell’oceano.
Il modello creato dai matematici prevede la deambulazione con la maggiore efficienza, con il maggior controllo ed equilibrio in un ambiente a galleggiamento neutro: il risultato migliore necessita di uno schema alternato piede destro-sinistro molto simile all’andatura del piccolo pesce skate.
Inoltre, questo tipo di movimento non ha bisogno di alcun costo energetico supplementare e potrebbe essere migliorato nel tempo utilizzando un semplice schema di apprendimento.
Trovare un esempio del mondo reale di questi antichi vertebrati è come scoprire un “ago in un pagliaio”, sostiene il team, che aggiunge inoltre che sarebbero necessarie solo gambe rudimentali per sviluppare questo modello di movimento deambulazione.
Dopo che le pinne simili a arti rudimentali si sono evolute, gli antichi vertebrati marini avrebbero dovuto acquisire solo un controllo neuronale minimo sui loro nuovi arti.
Il modello matematico di apprendimento realizzato per imitare gli antichi vertebrati è stato messo alla prova e al quarto tentativo è emersa una strategia di locomozione basata su un unico arto.
Dopo duecento tentativi il modello di apprendimento ha prodotto una camminata a due gambe. Entro il 600° tentativo, la creatura realizzata dal modello ha prodotto la classica camminata alternata destro – sinistro.
Eseguendo circa 50 istanze di apprendimento per 5.000 simulazioni, gli autori dello studio hanno scoperto che la soluzione migliore corrisponde all’andatura del piccolo pesce skate (o pattino) nel 70% dei casi.
Antichi vertebrati e strategie di deambulazione
Questa strategia suggerisce che deambulare in acque profonde è un metodo efficiente simile alla camminata passiva che utilizza il giocattolo “a molla” slinky che “cammina” lungo un pendio o scende una rampa di scale senza la necessità di un controllo complesso, ma solo sfruttando la forza di gravità.
Slinky, per chi lo ricorda, è un giocattolo a molla elicoidale inventato da Richard James nei primi anni ’40 negli Stati Uniti. Può scendere una rampa di scale con l’aiuto della gravità e del proprio slancio.
Il piccolo pesce skate, ovviamente, non è un giocattolo passivo. I suoi neuroni controllano sei muscoli per il movimento, ma gli autori dello studio affermano che questo sistema sfrutta gli stessi principi di una camminata passiva o “locomozione sostenuta sotto una fonte di energia costante senza controllo di feedback”.
Gli autori non sono sicuri del motivo per cui il pesce skate abbia sviluppato la deambulazione lenta sul fondo del mare, ma suggeriscono che sia un modo di spostarsi più efficace rispetto al nuoto a un ritmo simile. Ulteriori studi metabolici sulla creatura oceanica dovranno mettere alla prova l’idea.
Il pesce skate in certe situazioni usa entrambe gli arti per “puntare” in avanti e iniziare rapidamente la deambulazione alternata sinistra-destra. Questo tipo di movimento non è stato osservato nel modello, ma gli autori ritengono che questo tipo di approccio venga utilizzato quando l’animale debba accelerare rapidamente e l’efficienza energetica in questo caso, può passare in secondo piano.
“La combinazione di un ambiente affidabile a bassa gravità e un corpo dotato di gambe potrebbe aver contribuito a spianare la strada alle andature bipedi prima che i nostri antenati acquatici passassero alla terraferma”, afferma il matematico Lakshminarayanan Mahadevan dell’Università di Harvard.
“Quandogli antichi vertebrati si sono trasferiti sulla terraferma, la strategia di controllo è diventata probabilmente più complessa. Ma in ambienti omogenei come il fondo del mare, forse una semplice strategia era tutto ciò che era necessario”.
Per definire meglio il modello teorico, i ricercatori hanno realizzato un robot bipede in grado di spostarsi nel mare poco profondo. Il comportamento del piccolo robot ha mostrato notevoli somiglianze con il “deambulatore ideale” sviluppato nel loro modello. Il suo andamento regolare non ha bisogno di energia extra e ondeggia su entrambi i lati del corpo per mantenere la stabilità.
Il piccolo robot, tuttavia, tende a camminare leggermente più velocemente di quanto non faccia il piccolo pesce skate.
Gli autori dello studio ammettono che potrebbero non sapere mai con precisione come e quando gli antichi vertebrati hanno sviluppato la prima camminata, ma il loro modello permette di perfezionare alcune delle dinamiche passive e dei circuiti neurali osservati negli organismi viventi.
