Cerchiamo di capire  come il cervello controlla il corpo, è un  settore che chiamiamo neuromeccanica, all’intersezione tra biomeccanica e neuroscienze. La nostra ultima domanda di ricerca: come fanno i fenicotteri a stare su una gamba sola? La ricerca  ha portato gli scienziati a studiare uno stormo di giovani fenicotteri e persino scheletri e cadaveri di fenicotteri per capire come raggiungono le loro incredibili imprese di equilibrio.

LA NEUROMECCANICA ALLA BASE DELL’EQUILIBRIO DEI FENICOTTERI

Stabilizzazione passiva o attiva? Cercando  nella letteratura, non si trova alcun rapporto su come questi uccelli iconici lo facciano, ma esistono diverse teorie sul motivo per cui stanno su una gamba sola. Alcuni ricercatori pensano che serva a conservare il calore corporeo perso stando in acqua fredda. Stare su una gamba sola ridurrebbe presumibilmente della metà l’energia persa per riscaldarsi.

Un’altra ipotesi è che stare su una gamba riduca l’affaticamento muscolare dando riposo a una gamba mentre l’altra sostiene il corpo. Questa teoria si basa sull’idea che stare su due gambe sia più faticoso che stare alternativamente su una gamba e poi sull’altra, ma nessuno l’ha mai testato direttamente.

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IL CONTROLLO DELLA GRAVITA’

Gran parte dell’energia metabolica che ogni animale spende è dovuta all’attivazione dei muscoli mentre si oppongono alla gravità e controllano il movimento. Se ci fosse un costo energetico aggiuntivo per stare su una gamba sola, non avrebbe molto senso per i fenicotteri risparmiare sulla perdita di energia termica solo per perdere sul dispendio energetico muscolare. E se per i fenicotteri era faticoso stare su una gamba sola, perché dovrebbero passare da una gamba all’altra invece di stare su due gambe?

Quando fai la fila al supermercato, non stai con le ginocchia piegate: ciò richiederebbe un’enorme quantità di energia per attivare i muscoli delle gambe. Immagina di mantenere una postura tozza con la coscia orizzontale e il ginocchio ad angolo retto: sentiresti rapidamente il bruciore. Le gambe dei fenicotteri (come altri uccelli) sono costantemente in uno stato di “ginocchia piegate”, quindi c’è il potenziale per un grande dispendio di energia muscolare, o sforzo muscolare, necessario per sostenere il loro peso corporeo.

L’EQUILIBRIO E’ DOVUTO ALL’EVOLUZIONE?

Molti animali hanno evoluto modi di muoversi che riducono al minimo la quantità di energia che consumano, che si tratti della meccanica pendolare dei pinguini che ondeggiano e dei gibboni che oscillano tra gli alberi o della meccanica rimbalzante degli scarafaggi.

Altri animali, come i cavalli, hanno sviluppato meccanismi di stabilizzazione passiva per consentire loro di dormire stando in piedi. I pipistrelli appesi e gli uccelli appollaiati hanno sviluppato meccanismi passivi di presa che consentono loro di dormire senza paura di perdere la presa.

Abbiamo deciso di scoprire se i fenicotteri si basassero principalmente sulla biomeccanica passiva o su interventi attivi del sistema nervoso per stare su una gamba sola.

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LO STUDIO SUI FENICOTTERI

Un modo in cui gli scienziati studiano l’equilibrio è far stare le persone o gli animali su un dispositivo chiamato piastra di forza che misura le forze che applicano al suolo. Funziona come una fantastica Wii Balance Board. Da queste misurazioni, possiamo calcolare “l’oscillazione posturale” – il movimento costante del corpo quando si sta in piedi su uno, due o anche quattro arti. Non vediamo oscillazioni posturali in strutture meccanicamente stabili, come un tavolo.

Sebbene l’equilibrio in piedi sia qualcosa che noi umani diamo per scontato, in realtà è un processo molto attivo. Il sistema nervoso percepisce costantemente il movimento del corpo così com’è e apporta correzioni attivando i muscoli. La quantità di oscillazione posturale è un indicatore indiretto di quell’attività del sistema nervoso. In genere non notiamo questi piccoli movimenti a meno che qualcosa non vada nel nostro equilibrio. Pensa a chiudere gli occhi su una superficie in movimento o a stare in piedi quando hai le vertigini.

LE SCOPERTE

Nelle misurazioni  effettuate,  i ricercatori hanno scoperto  che i giovani fenicotteri dello zoo di Atlanta avevano un’oscillazione posturale notevolmente ridotta mentre si addormentavano stando in piedi su una gamba sola. Quando erano svegli, e si pettinavano o facevano giostre con i loro compagni, stando in piedi su una gamba sola, la loro velocità dell’oscillazione posturale è aumentata fino a sette volte.

Perché accadeva tutto questo?  Gli scienziati hanno studiato i  rapporti anatomici e scheletri di fenicotteri per vedere se trovavano  prove di meccanismi di stabilizzazione biomeccanici che aiutano i fenicotteri a stare facilmente su una gamba sola. Non trovando dimostrazioni chiare, è stata studiata la morfologia del fenicottero, ovvero le caratteristiche strutturali dell’uccello e il modo in cui funzionano e interagiscono insieme.

Sebbene il meccanismo effettivo non sia ancora chiaro, è stato studiato attentamente il cadavere di un fenicottero. Se lo sollevi per una gamba come un lecca-lecca alla giusta angolazione, adotta passivamente una configurazione corporea che sembra un fenicottero in piedi su una gamba sola. Quando il corpo è stato inclinato  avanti e indietro fino a 45 gradi, la configurazione del corpo era stabile, con il ginocchio che manteneva un angolo retto. Quando è stato provato a manipolare il corpo, si è scoperto  che le articolazioni erano abbastanza stabili nel resistere alla forza di gravità, ma che le articolazioni potevano essere facilmente spostate nella direzione opposta.

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IL CONTROLLO DELL’EQUILIBRIO DERIVA DALLA GRAVITA’ E DALL’ANATOMIA SPECIFICA DEL FENICOTTERO 

I risultati mostrano che la gravità, insieme alle specializzazioni nell’anatomia dei fenicotteri, gioca un ruolo importante nell’aiutare gli animali a rimanere stabili su una gamba senza bloccare le loro articolazioni, il che potrebbe consentire loro di scappare rapidamente se necessario. L’angolo della gamba del cadavere visto di fronte ricordava l’inclinazione verso l’interno che osserviamo quando gli animali vivi sono in piedi su una gamba sola. Quando la gamba era inclinata verso l’interno come una posa con una gamba sola, le articolazioni diventavano molto stabili. Se tenevamo la gamba del cadavere più eretta, cioè più verticale se vista di fronte, simile alla postura quando i fenicotteri stanno su due gambe, il corpo non era più stabile. Poiché i muscoli non sono attivi in un animale deceduto, abbiamo interpretato questo nel senso che i muscoli devono essere attivati affinché un fenicottero mantenga una postura a due zampe, ma non a una gamba sola.

Prima dell’indagine, avremmo potuto presumere che fosse necessaria molta energia muscolare per un fenicottero per stare su una gamba sola. Ma a quanto pare non è così. Possono facilmente e per lunghi periodi mantenere quella che per noi diventerebbe rapidamente una posizione tozza molto scomoda, senza usare molto i loro muscoli.

COME LE SCOPERTE SUI FENICOTTERI POSSONO AIUTARE LA SCIENZA

Perché ci interessa? Questo studio è stato un’indagine divertente che ha rivelato quanto sia diverso stare su una gamba per un fenicottero rispetto a una persona. Come scienziati, è gratificante studiare le meraviglie della natura e vedere come la fisica e la biologia si intrecciano nel comportamento degli animali. Tuttavia, ci sono lezioni pratiche che possono essere apprese. I sistemi ingegnerizzati con articolazioni e gambe motorizzate, come alcuni dispositivi protesici e robot umanoidi, consumano molta energia solo per alzarsi in piedi. Forse l’utilizzo di alcuni principi dell’equilibrio del fenicottero potrebbe aiutare a progettare protesi e robot più stabili, ma agili ed efficienti.

Autore dello studio: Lena Ting, Professore di Ingegneria Biomedica e Medicina Riabilitativa, Divisione di Terapia Fisica, Emory University e Young-Hui Chang, Professore di Scienze Biologiche, Georgia Institute of Technology

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