Lucciole

 

Piero Sagnibene

Ricordando lo spettacolo visto in Thailandia, Hugh M. Smith scrisse: “Immaginate un albero alto 10-12 metri, rivestito di fitto fogliame ed immerso completamente nella oscurità e con piccole foglie ovate, con una lucciola su ogni foglia e con tutte le lucciole che lampeggiano perfettamente all’unisono, al ritmo di circa tre volte ogni due secondi. Immaginate una riva del fiume, per la lunghezza di 160 metri, coperta da una fila ininterrotta di alberi (mangrovie) con lucciole su ogni foglia che lampeggiano in sincronia; cioè con gli insetti posati sugli alberi alle estremità della fila che emettono lampi di luce col medesimo ritmo e nel medesimo istante rispetto agli insetti posti nel mezzo. Se la vostra immaginazione è abbastanza vivida, allora potete avere un’idea di questo spettacolo stupefacente.”

 

 

  

Hugh Mc. Cormick Smith 1865 – 1941

 

Ittiologo, curatore di zoologia presso la Smithsonian Institution, dal 1933 al 1941. Guidò il gruppo scientifico a bordo della nave Albatros della US FIsh Commission. Alla Smithsonian diresse il centro di ricerca scientifica dal 1897 al 1903. Dal 1901 al 1902 diresse il Marine Biological Laboratory a Woods Hole, Massachussetts, ed insegnò medicina ed istologia alla facoltà di Georgetown, dal 1895 al 1902.

Fu editore del National Geographic. Si trasferì in Thailandia durante il regno di re Rama VI e fu Direttore generale del Dipartimento di pesca di quel paese durante il regno di re Rama VII.

 

Lo splendore di quel lampeggiamento sincrono, con la sua silenziosa e costante pulsazione, meravigliò Smith con il medesimo effetto ipnotico con il quale emozionò il naturalista olandese Engelbert Kaempfer (1651-1716) nel 1680 mentre navigava su un fiume della Tailandia (Kaempfer fu lo studioso che descrisse e classificò per primo il Ginkgo biloba). Lo spettacolo era dovuto alla lucciola Pteroptyx malaccae GORHAM (Coleoptera Lampyridae), una specie degli ambienti salmastri a mangrovie, una delle specie di lucciole che danno luogo a questo fenomeno. Com’è possibile che decine di migliaia di lucciole coordino in maniera così esatta, un ciclo dopo l’altro, l’emissione di luce? e perché lo fanno?
Pteroptyx malaccae GORHAM è un coleottero della famiglia dei Lampiridae. Tra i Coleottori vi sono 5 famiglie bioluminescenti: Drilidae, Elateridae, Phengodidae, Rhagophthalmidae. I Lampiridi, le vere lucciole, comprendono circa 2.000 specie in tutto il mondo, delle quali 230 specie endemiche del Nuovo Mondo e circa 30 specie presenti nell’Asia del sud e nel Pacifico occidentale.

 

Areale di distribuzione dell’Asia del sud e del Pacifico occidentale dei Coleotteri Lampiridi

 

La bioluminescenza è emessa da quasi tutti gli organismi viventi, finanche dall’uomo stesso, anche se l’intensità della luce emessa dal corpo umano è mille volte inferiore alla sensibilità del nostro sistema visivo. La produzione spontanea di luce è una caratteristica ecologica del pianeta Terra; si conoscono più di cinque milioni di organismi bioluminescenti; sulla terraferma (microrganismi, artropodi, funghi , piante, ecc.), ma la stragrande  maggioranza degli organismi bioluminescenti vive nei mari e negli oceani. I tre quarti degli animali che vivono tra la superficie e i 4000 metri di profondità del mare brillano di luce propria.

La luce emessa di notte dalle lucciole è luce fredda, avviene al di sotto di determinate temperature, manca di raggi infrarossi e ultravioletti, e la sua lunghezza d’onda oscilla tra i 500 ed i 650 nanometri. L’intensità luminosa delle luci emesse dalle lucciole è modesta, ma appare vivissima all’uomo poiché ha un'intensità massima alla lunghezza d’onda di 5000-6000 Ångström, a cui l'occhio umano è sensibilissimo.

 

Nelle lucciole, gli organi di emissione della luce sono formati da uno strato fotogeno che poggia sulla cuticola divenuta trasparente (finestra) e che si compone di grosse cellule produttrici di luce (fotociti) ricche di mitocondri, di ATP e di luciferina. I mitocondri forniscono l'energia per il funzionamento del sistema fotogeno. Il processo biochimico che porta alla formazione dei raggi luminosi è reso possibile da una sostanza che agisce anche sulla eccitabilità dei nervi. I fotociti sono riuniti in lobuli a forma di rosette intorno a cilindri contenenti grossi rami tracheali che si ramificano da esse. Al di sopra di detto strato si trova uno strato fotoriflettore o isolante, che contiene piccole cellule irregolari, opache, contenenti un grandissimo numero di granuli di urati e di glicogeno che riflettono all’esterno la luce attraverso la cuticola diventata trasparente. I due strati sono attraversati perpendicolarmente da tubuli cilindrici nei quali decorrono rami di trachee addominali e diramazioni di nervi periferici. Le trachee, una volta raggiunto lo strato ventrale, differenziano un ricco sistema di tracheole laterali che penetrano tra i fotociti (presentano spesso tracheoblasti, cellule germinative delle tracheole). Gli organi luminosi sono serviti da muscoli speciali che controllano l'accesso della emolinfa e, soprattutto, dell'aria. Il tutto permette una regolazione volontaria e riflessa della luminosità in base soprattutto dell'apporto di ossigeno. 

 

L’organo luminoso della lucciola, che si trova presi l’estremità dell’addome, è attivato da segnali che si originano nel cervello; la stimolazione sperimentale dell’occhio della lucciola, con una luce artificiale, provoca, infatti, un lampeggiamento dell’organo luminoso. Il tempo che intercorre affinché lo stimolo viaggi dall’occhio al cervello, per generare gli impulsi motori, affiché questi impulsi percorrano tutta la catena gangliare ed i nervi periferici, fino all’organo luminoso ed eccitare il meccanismo fisiologico in grado di emettere la luce, è mediamente compreso tra i 150 ed i 200 millesimi di secondo. Questo intervallo è assai più breve del periodo che intercorre tra due lampeggiamenti successivi di una lucciola che, ad esempio, é di 560 millisecondi nella Pteroptyx osservata da Smith, quando la temperatura ambientale è di 25°C. A seconda della specie le lucciole lampeggiano ogni tre, due o mezzo secondo. Vi è quindi una regolazione dei ritardi neurali che si rivela importante per la sincronizzazione e per la trasmissione del segnale al partner.

 

Il processo di emissione di luce è la capacità di alcuni composti di riemettere, sotto forma di onde elettromagnetiche, l’energia accumulata precedentemente. La luce emessa di notte dalle lucciole è luce fredda, avviene al di sotto di determinate temperature, manca di raggi infrarossi e ultravioletti, e la sua lunghezza d’onda oscilla tra i 500 ed i 650 nanometri. La sua intensità luminosa è modesta, ma essa appare all'uomo vivissima, poiché ha un'intensità massima alla lunghezza d’onda di 5000-6000 Ångström, a cui l'occhio umano è sensibilissimo. Questa luce non è polarizzata ed agisce su tutti i fenomeni chimici e fisiologici come quella solare..

Il meccanismo fisiologico che produce la luce delle lucciole è una reazione (redox) che avviene tra la luciferasi (un enzima termolabile di 548 residui) ed il suo substrato la D-luciferina (DLH2) (un fenolo eterociclico termostabile, che può esistere in una forma ridotta 
ed in una ossidata). La luce quindi è prodotta dalla ossidazione della luciferina da parte di ossigeno libero, in presenza di acqua, dello ione Mg²⁺, e sotto l'azione catalitica della luciferasi che si trova nell'emolinfa. Per ogni molecola di luciferina ossidata viene emesso un quanto di luce.

 La quantità di luce emessa (fotoni) si può valutare con procedimenti fotometrici; essa è strettamente correlabile all'ATP, che è contenuto in quantità abbastanza costanti nelle cellule viventi; mediante un fattore di conversione dall'ATP si può risalire al numero di cellule che hanno partecipato alla reazione. Il test della bioluminescenza (Firefly test o test della lucciola) è adoperato in laboratorio per un rapido conteggio cellulare in ematologia (es.: enumerazione dei globuli rossi), in microbiologia (conteggi batterici), nonché per la valutazione degli inquinamenti batterici nelle acque reflue, per il controllo delle fermentazioni o per qualsiasi valutazione di ricchezza cellulare (nei semi, embrioni ecc.).

 

Nelle lucciole l’accoppiamento ha luogo allorquando la femmina risponde sincronizzando la propria segnalazione luminosa a quella del maschio (lampeggio di varia durata, a seconda della specie).
Se osserviamo ciò che accade con le lucciole vaganti (non sincroniche), il corteggiamento è costituito da uno scambio ininterrotto di decine e decine di lampeggiamenti emessi alternativamente da entrambi i sessi per guidare il maschio verso la femmina, cioè un corteggiamento basato sulla vista che sarebbe difficile o impossibile nella fitta vegetazione tropicale. La riuscita dell’accoppiamento dipende dalla capacità dei due pronubi di vedersi quasi continuamente durante l’avvicinarsi del maschio; infatti, se si frappone un ostacolo che nasconde due o tre segnali, il corteggiamento è definitivamente interrotto.

 

Qual è il vantaggio acquisito da maschi lampeggiando con lo stesso ritmo?

 

L’affollamento e la pulsazione luminosa sincronica dei maschi delle lucciole si possono spiegare come adattamenti per favorire l’accoppiamento in territori coperti dalla giungla. Tutti i maschi costituiscono una specie di faro, grande e luminoso, per attirare maschi e femmine da tutte le direzioni e da considerevoli distanze. In questo modo i maschi avrebbero a disposizione un numero di femmine maggiore rispetto a quello che potrebbero trovare da soli nell’intrico della giungla. In Giamaica, ad esempio, sono osservate esibizioni arboree non sincronizzate che pure attirano numerose lucciole; il sincronismo è un perfezionamento del potere di attrazione ottenuto mediante lampeggiamenti molto più brillanti e dotati di periodicità.

 

Durante il giorno, maschi e femmine rimangono sugli alberi; l’assembramento comincia dalle lucciole residenti. Questi lampeggiamenti sincroni sono fenomeni permanenti, utilizzati anche dai barcaioli tailandesi come indicatori nei viaggi notturni. Poiché le lucciole adulte vivono quasi un mese, quelle raggruppati sugli alberi formano comunità che si riproduce per tutto l’anno. Il numero dei maschi viene tenuto abbastanza costante dai nuovi reclutamenti che compensano i decessi. La popolazione femminile dell’albero dovrebbe essere continuamente variabile, dato che le lucciole si riproducono da uova e si sviluppano in larve che vivono nel terreno o nell’acqua per circa 2-3 anni. L’entità di questa popolazione femminile può mantenersi anch’essa stabile per un equilibrio tra le lucciole che vengono attirate verso l’albero e quelle che ritornano nell’ambiente circostante per deporre le uova dopo essersi accoppiate. Ciò significa che il lampeggiamento sincronizzato avvantaggia l’intera popolazione maschile; si tratterebbe di un comportamento altruistico da parte dei maschi, ma entriamo in conflitto con il concetto di evoluzione per selezione naturale del più adatto. “Non importa quanto un atto possa essere benefico o altruistico – scrive Darwin – esso non potrà resistere a lungo come caratteristica del comportamento della specie a meno che gli individui dotati di questo comportamento non riescano ad avere successo nella riproduzione”.

 

Il lampeggiamento sincrono di gruppo è un tipo di comportamento perpetuato per via ereditaria, ma non risulta idoneo per la promozione dell’adattamento riproduttivo del maschio singolo. Si pongono due problemi: il comportamento collegato con l’emissione di luce utilizzato dal maschio singolo nella sua esibizione e la ragione per cui questo comportamento ha bisogno di essere sincronizzato per essere efficace. Il controllo della intensità dei lampeggiamenti ha un ruolo nella competizione; il singolo maschio riesce infatti a modulare a piacimento la luce emessa da  proprio organo luminoso. Si è osservato che  i maschi che giungono da lontano, ravvivano i loro lampeggiamenti appena entrano in sincronia con lo sciame già sull’albero. Un altro metodo per aumentare l’intensità luminosa del lampeggiamento è quello di puntare l’organo luminoso verso una direzione particolare, mediante una torsione dell’addome ed è quanto fanno i maschi posati sulle foglie più periferiche dell’albero. Il controllo della intensità luminosa è quindi un’arma competitiva, ma bisogna spiegare perché un maschio deve sincronizzarsi con gli altri per influenzare la femmina.

La necessità da parte della femmina di uno stimolo sincronizzato è collegata alla diminuzione di sensibilità nel meccanismo di risposta immediatamente  dopo la stimolazione; la femmina può percepire un nuovo stimolo solo dopo alcune centinaia di  millisecondi che ha ricevuto un segnale da parte del maschio. Se la femmina diventa refrattaria dopo un singolo lampeggiamento, due o più lampeggiamenti vengono percepiti quasi simultaneamente le impediscono di confrontare le loro intensità. La sincronizzazione dei lampeggiamenti rende possibile alla femmina di scegliere il partner tra i maschi in competizione in base alla intensità dei loro lampeggiamenti, vale a dire che la sincronizzazione fornisce al maschio non un vantaggio riproduttivo sui compagni di  gruppo a causa del lampeggiamento più intenso ma la possibilità di competere per tale vantaggio. La sincronizzazione favorisce il maschio non perché soppianta il competitore nel corteggiamento, ma perché ottiene la possibilità di soppiantarlo. In un gruppo sincronizzato ogni maschio mantiene la propria possibilità di competere e contribuisce, involontariamente, alla possibilità dei suoi vicini: il beneficio totale reciproco dispensato da ciascun maschio è esattamente bilanciato dal beneficio totale riproduttivo che ne ricava.

La perpetuazione genetica del comportamento è intimamente connessa col corteggiamento e dipende da un oscillatore neurale altamente organizzato, che si è affermato nel corso della evoluzione delle lucciole sincrone, specializzato per la stimolazione automatica reciproca. Si tratta di un comportamento cooperativo  perciò non può avvantaggiare il singolo nella selezione naturale. Dal fatto che la femmina venga inibita tra due lampeggiamenti successivi emessi dal maschio, consegue che il corteggiamento è un mezzo di protezione contro i mutanti, che, in quanto tali, non partecipano alla cooperazione luminosa, perché se la femmina reagisce soltanto a lampeggiamenti che  le giungono quasi simultaneamente, non può reagire  segnali fuori fase ed il corteggiamento è protetto da ogni inganno. Il lampeggiamento sincronizzato quindi, è un adattamento riproduttivo con queste caratteristiche: - ogni maschio partecipante ha un vantaggio riproduttivo sui maschi che non  fanno parte del gruppo – nel gruppo sincronizzato nessun maschio si trova in svantaggio rispetto agli altri – nessun maschio mutante può ricavare vantaggio competitivo dal fatto di non lampeggiare in sincronia – se più di un maschio compete per accaparrarsi le attenzioni di una femmina, l’esibizione competitiva ( ad esempio la modulazione dell’intensità luminosa) è accettabile dalla femmina se  i maschi lampeggiano in sincronia – il lampeggiamento viene modulato nella periodicità (per rendere i maschi atti alla competizione) e nella intensità (per la competizione).

La frequenza dei  lampeggiamenti delle lucciole è vincolata alla temperatura; ad una medesima temperatura ogni specie risponde con un determinato intervallo specifico tra un lampeggiamento e l’altro (un carattere identitario di ciascuna specie), e, per converso, differenze minime di temperature comportano variazioni nell’intervallo dei lampeggiamenti. Inoltre vi sono specie diverse di lucciole che condividono gli stessi ecosistemi. Ad esempio le numerosissime popolazioni di lucciole sincroniche che  convivono sulle lagune ed i fiumi del golfo del Siam, dell’istmo di Kra e sulla costa occidentale della Cambogia sono formate spesso da centinaia di milioni di individui appartenenti a  quattro speciediverse: Pteroptyx valida, P. malaccae, P.asymmetria, P.tener

 

Aeale di distribuzione delle lucciole nell’Asia del Sud, e nel Pacifico occidentale. A dx.distribuzione nel gofo del Siam, istmo di Kra e costa occidentale della Cambogia. Le diverse specie sono indicate con colori diversi. Si notino le indicazioni delle specie diverse che condividono il medesimo ecosistema.

 

Queste specie condividono gli stessi ecosistemi, dunque la stessa temperatura. Le piccolissime differenze temporali degli intervalli di lampeggiamenti servono ad identificare i partner della propria specie. Una temperatura che sia fuori dall’oscillazione stagionale e che si spinga oltre il range compatibile di ciascuna specie, fa si che ognuna di esse reagirà a suo modo. La conseguenza sarà quella di inceppare il meccanismo riproduttivo in quanto variazioni fuori fase dei lampeggiamenti impediranno il reciproco riconoscimento e la riproduzione. L’ aumento della temperatura globale, con le ondate di calore ed il presentarsi sempre più continuo di eventi climatici estremi sembra essere una causa pesante del rapido declino delle popolazioni di lucciole sincroniche. Pteroptyx è un genere di lucciole nella sottofamiglia Luciolinae che vive nel sud-est asiatico. L'inquinamento e la perdita dell'habitat hanno provocato la perdita di quasi tutte le popolazioni di Pteroptyx nell'area intorno a Bankok . Inoltre, nelle specie di Lampiridi asiatici, la loro larva ha bisogno di un ambiente continuamente umido per svilupparsi. Molte delle specie del genere sono a rischio di perdita dell'habitat a causa del danno delle mangrovie, a causa dell'innalzamento del livello del mare, a causa del riscaldamento planetario dovuti al cambiamento climatico.