Il Calcio (Ca²⁺) ed i "pesci di acqua tenera"

Un noto problema dell’acquariofilia trova una spiegazione scientifica

Il rapporto col concetto di "durezza dell’acqua" appartiene alle fondamenta della scienza acquariofila; ogni acquariofilo serio conosce le esigenze dei suoi pesci a questo riguardo e controlla i parametri essenziali, una cosa ovvia. Quale significato venga oggi riconosciuto a questa o altre qualità dell’acqua utilizzata, si deduce anche, infine, dal grande successo di cui oggi godono gli impianti ad osmosi inversa.

Dr. Peter Beyer

Che non sia sempre stato così, lo documenta espressamente l’esempio di Rasbora heteromorpha.

Dopo la prima importazione, che risale al 1906, ci vollero decenni, nonostante un grande impegno, prima di riuscire ad ottenere la riprodu zione.

Inconcepibile dal punto di vista odierno, poiché tale riproduzione non presenta particolari difficoltà, con un poco di esperienza è un gioco da ragazzi.

Quasi grottesche sembrano anche le ipotesi che furono espresse all’epoca: per esempio, che i commercianti cinesi, abili negli affari, vendessero solo esemplari maschi per mantenere il loro monopolio.

Oppure fu ipotizzato che R. heteromorpha deponesse solo in acque profonde con una pressione elevata, un parametro quasi impossibile da realizzare nell’acquario di casa.

Il motivo dell’ostinato insuccesso stava nella qualità dell’acqua: i parametri che sono normali nell’habitat tropicale di questa specie (Malaysia), erano sconosciuti e semplicemente inimmaginabili nell’Europa dell’epoca.

Lo documenta Werner Ladiges in "Un pesce nel territorio".

Vi si ritrova una tabella sulla chimica dell’acqua di due biotopi di Rasbora heteromorpha (durezza carbonatica 0°dH, GH 0,6° dH), con le seguenti note del Dr. Keim, il chimico che ha eseguito l’analisi: "Entrambe le acque corrispondono ad un’acqua distillata con una minima contaminazione.

Si potrebbe pensare ad una mistificazione.

La stessa acqua piovana, così come viene solitamente raccolta, presenta un contenuto maggiore rispetto a questa, almeno a livello di elementi gassosi.

E’ incomprensibile come dei pesci possano viverci bene .". Lo stupore per simili valori dell’acqua era enorme. Poche pagine dopo Ladiges commenta: "In generale per i pesci tropicali una durezza superiore a 6 deve essere definita inadatta".

Anche se Ladiges generalizza forse troppo su questo punto, sono stati simili lavori pionieristici ad aprire una breccia per la riproduzione dei pesci d’acqua tenera. Rispettando parametri dell’acqua adeguati, divenne così possibile allevare anche Rasbora heteromorpha.

Qual è la causa della manifesta sensibilità alla durezza da parte dei pesci d’acqua tenera? I motivi possono essere vari e in generale di natura fisiologica.

Si potrebbe pensare, ad esempio, ad accumuli di sali in organi critici, ma su questo argomento non mi dilungherò oltre; vorrei invece concentrarmi su un aspetto biologicocellulare che ha a che fare con l’acqua dura e con lo sviluppo degli avannotti. Non si possono escludere conseguenze anche nei pesci adulti.

Quella che vi propongo è un’ipotesi, forse addirittura solo una congettura motivata, poiché purtroppo non esistono – anche se oggi sarebbero possibili - ricerche molecolari sistematiche sullo sviluppo dell’uovo o sulla fisiologia molecolare di pesci tipici d’acqua tenera.

Questo però implica un piccolo excursus nella biologia moderna, dominata dal pensiero molecolare.

Mi permetto in questo caso di attuare grandi semplificazioni e chiedo ai potenziali critici di concedermelo.

Tre categorie di sensibilità alla durezza

Gli acquariofili sanno per esperienza che esistono diverse categorie di pesci d’acqua tenera in base alla loro sensibilità alla durezza.

La tabella 1 mostra un raggruppamento alquanto arbitrario. Sono stati definiti tre "tipi" di pesci d’acqua tenera (vedi valori dell’acqua dei siti di ritrovamento). Come esempio, tra i tanti possibili, documento quello di alcuni pesci asiatici e amazzonici.

I confini tra queste categorie sono sicuramente flessibili. Vi sono però differenze tra le forme estremamente adattate all’ambiente della classe III e le forme meno adattate all’acqua tenera della classe I.

L’adattamento si manifesta non solo nella capacità fisiologica di deporre uova, bensì, come è noto, anche nella capacità di sviluppo delle uova deposte.

Tutto questo viene provocato da processi molecolari complessi e a più livelli.

Al contrario, la causa primaria sembra estremamente semplice: sali semplici, i componenti della durezza bicarbonato di calcio e di magnesio o i corrispondenti solfati.

Per ragioni di completezza occorre menzionare un secondo fattore fondamentale, il valore pH dell’acqua, che definisce la concentrazione di ioni idrogeno: una sostanza altrettanto semplice con forti implicazioni a livello fisiologico.

In questo caso, però, ci occupiamo solo di calcio (Ca), elemento oltremodo raro nelle acque già citate dell’Amazzonia, dell’Africa occidentale e del sud-est asiatico.

Il carbonato di calcio è presente in soluzione acquosa sotto forma di ioni, vale a dire scisso in due particelle fondamentalmente diverse: un catione Ca²⁺ ed un anione HCO 3 -.

A questo punto è lecito chiedersi quale dei due componenti abbia effetto negativo sui pesci e sulle uova.

Qui vorrei parlare del tutto chiaramente in favore non del carbonato, ma dello ione Ca²⁺ . Infatti, Ca²⁺ gioca un ruolo del tutto particolare nelle cellule di tutti gli esseri viventi eucarioti ⁽¹⁾, dagli organismi unicellulari fino all’uomo. Si è compreso negli ultimi anni che Ca²⁺ funziona come "messaggero secondario" ("second messenger") nelle cosiddette sequenze segnale.

Quindi, per capire il ruolo critico del calcio, occorre spiegare che cos’è una sequenza segnale e in cosa consiste la sua importanza biologica.

Sequenze segnale

Le sequenze segnale fanno da mediatore tra uno stimolo interno od esterno e la risposta della cellula.

Tali sequenze sono d’importanza fondamentale per i processi di controllo e di sviluppo nei sistemi viventi.

Possono terminare nel nucleo della cellula e lì attivare i geni, ma possono anche terminare nel citoplasma ⁽²⁾ ed attivare gli enzimi ⁽³⁾ (fig. 1).

Quanto detto può essere illustrato con alcuni esempi evidenti: in una cassetta di patate spuntano pallidi germogli; basta una breve esposizione alla luce e i germogli diventano verdi.

Questo significa che un recettore cellulare riconosce la luce come un segnale proveniente dall’esterno, una sequenza segnale comunica l’evento al nucleo della cellula e questa risponde all’informazione con una cascata di attivazioni di geni.

Le proteine vengono sintetizzate e quindi agiscono a formare il meccanismo completo della fotosintesi, compresa la clorofilla, e a far sviluppare i cloroplasti ⁽⁴⁾ e così via fino alla pianta completa di foglie, che senza quel segnale luminoso non sarebbe esistita.

E’ noto che anche l’attività ormonale rappresenta segnali endogeni. L’insulina, per esempio, si lega al proprio recettore sulla membrana citoplasmatica di una cellula epatica.E’ una sequenza segnale, quella che alla fine comanda l’estrazione dello zucchero dal sangue.

Le sequenze segnale sono quindi in un certo modo le "linee telefoniche" molecolari che dalla superficie della cellula arrivano al nucleo o agli enzimi della cellula.

La "telefonata" produce eventi attivanti o inibitori. Questi effetti possono essere relativamente piccoli e locali, così come possono avere ripercussioni che si estendono fino alla formazione di strutture organiche, lo stabilirsi di un tumore, o la morte della cellula.

Tentativo di classificazione di alcuni noti pesci d'acquario in base a "categorie di durezza di calcio"
Categoria	I		II		III
Apistogramma spp.	per lo più X
Axelrodia stigmatias					X
Betta spp.			X
Brittanichthys myersi					X
Cichlasoma spp.	X
Crenicara maculata					X
Hemigrammus ocellifer			X
Gruppo Hyphessobrycon bentosi			X
Hyphessobrycon ornatus			X
Macropodus	X
Nannostomus marginatus			X
Nannostomus trifasciatus			X	>	X
Nematobrycon palmeri			X
Paracheirodon innesi			X
Parosphromenus					X
Pristella maxillaris	X		X
Pterophyllum altum			X
Pterophyllum scalare			X
Puntius tetrazona	X	>	X
Rasbora axelrodi				>	X
Rasbora brigittae					X
Rasbora callochroma					X
Rasbora heteromorpha			X
Rasbora maculata					X
Sambwa resplendens	X
Sphaerichthys osphromenoides			X	>	X
Symphysodon			X
Trichogaster leeri			X
Trichogaster trichopterus	X
.
Categoria I: al massimo tra 10 e 12°dGH. Conduttività:ca. 400-500 µS/cm
Categoria II: Per il mantenimento in acquario come Categoria I
Per l'allevamento inferiore a 6°dGH o
Conduttività inferiore a 200 µS/cm
Categoria III: Per il mantenimento in acquario inferiore a 6°dGH o
Per l'allevamento 3 - 1,5°dGH, secondo la specie, o
Conduttività 100-50 µS/cm
Numeri base 1°dGH = 7,14 mg/l Calcio 2+
1°dGH = conduttività 30-35 µS/cm

I pesci reagiscono agli stimoli ambientali attraverso sequenze segnale

Di solito l’acquariofilo sa per esperienza che anche i pesci reagiscono agli stimoli ambientali in un modo spiegabile solo mediante sequenze segnale. segnale.

Gli stimoli provenienti dall’ambiente sollecitano il comportamento riproduttivo, come p.es. ci mostra Eigenmannia virescens.

Alcune fasi fondamentali dello sviluppo dell’uovo di E. virescens sembrano essere esogene, controllate dalle condizioni chimicofisiche dell’acqua; ovvero, un fattore esterno chimico, in questo caso la conducibilità decrescente, ha un effetto a livello cellulare, che si palesa nel differenziamento cellulare. In breve, il senso del discorso è semplicemente che gli ioni Ca²⁺ , a differenza degli ioni Mg 2+ , per esempio, rappresentano una componente fondamentale delle "linee telefoniche" delle sequenze segnale.

Come si presenta una simile linea telefonica?

Siamo arrivati a comprendere in qualche modo diverse sequenze segnale dal punto di vista molecolare, essendo queste complesse ed eterogenee, collegate tra loro in modi diversi, così da formare reti per tali flussi di informazione.

Gli ioni calcio sono uno degli anelli di congiunzione in questo flusso di informazioni. Vengono liberati all’interno della cellula in seguito ad un segnale, riconosciuti dalle proteine che trasportano il segnale al loro luogo d’azione. Infine i geni e/o le proteine attraverso trasformazioni possono completare la propria attività.

Quindi, se la liberazione di calcio viene ostacolata artificialmente, la linea di segnali s’interrompe.

2) - Crenicara Maculata esige acqua tenera per la riproduzione, max 50-100 µS/cm, ed anche per la normale cura il valore ottimale è 200 µS/cm

Ca²⁺si può vedere nelle cellule

La medusa Aequorea è fluorescente; essa dispone di un sistema bioluminescente, composto da una piccola proteina, l’aequorina, vale a dire che questa proteina si illumina se sono disponibili ioni calcio, un perfetto sistema di misurazione per rendere visibili gli ioni calcio liberi.

Iniettando aequorina nelle cellule è possibile vedere contemporaneamente la distribuzione spaziale, temporale e quantitativa di calcio.

Funziona in modo simile anche con i coloranti artificiali che in base al calcio sono fluorescenti. Ora torniamo allo sviluppo delle uova.

Ca²⁺ nello sviluppo embrionale

Già il contatto con lo sperma scatena una sequenza segnale, per cui un’ondata di Ca²⁺ attraversa l’uovo, per poi cessare rapidamente, questo significa che gli ioni Ca²⁺ vengono di nuovo allontanati attivamente (ma lo vedremo più tardi).

Tali segnali si ripetono spesso ed è possibile riconoscerli come "picchi" in un luxmetro, uno speciale strumento di misurazione della luce. Seguono altre sequenze segnale, poiché il segnale Ca²⁺ è indispensabile per l’ulteriore sviluppo dell’uovo; esso viene biochimicamente "attivato".

L’uovo di Brachydanio rerio in corso di sviluppo mostra come il processo prosegue in relazione a Ca²⁺ (fig.3).

Dinamica marcata del segnale Ca²⁺

La distribuzione non è affatto regolare, bensì elevata laddove si forma il solco di divisione e lungo l’"equatore" della cellula uovo divisa.

Mentre ancora si completa la prima divisione, si preannuncia in qualche modo il livello della seconda divisione attraverso l’aumento locale delle concentrazioni di Ca²⁺ .

Quanto sia marcata la dinamica del segnale Ca²⁺ , lo dimostra una serie che ricopre 120 secondi. Il Ca 2+ appare come "hot spot" (punta delle frecce), prosegue e marca il piano di divisione per circa 20 secondi prima della formazione del solco di divisione.

Se viene a mancare la formazione di questo segnale Ca²⁺ , non ha luogo neppure la divisione cellulare, come si può mostrare con i chelanti del Ca²⁺ (sostanze come DTA, che legano Ca²⁺ non rendendole disponibili), oppure attraverso il blocco del canale che libera Ca²⁺ su ER ⁽⁵⁾ (vedi sotto).

A questo punto la cellula trattata non è più in grado di dividersi, e neppure mostra più alcun segnale Ca²⁺ , mentre la cellula non trattata non subisce alcuna influenza.

Non sono solo le prime fasi dello sviluppo dell’uovo ad essere influenzate dagli ioni calcio liberi, ma l’intero sviluppo larvale.

In un primo momento la divisione è relativamente uniforme, poi durante lo sviluppo degli organi si verificano aumenti della concentrazione di Ca²⁺ particolarmente marcati, complessi, locali e limitati nel tempo e ondate di Ca²⁺ nelle cellule dei tessuti interessati.

Qualora venisse interrotto il rilascio di Ca²⁺ con l’aiuto di chelatori del calcio, si avrebbe come risultato il mancato sviluppo delle uova. Una conseguenza frequente consiste nello sviluppo imperfetto degli occhi.

Di solito anche il cuore è decisamente più piccolo e circondato da una tasca; tali cuori non pompano più sangue e gli embrioni muoiono.

Si riscontrano anche altri difetti gravi, come una forte riduzione della lunghezza. Con questo spero di avervi dato un’idea di come Ca²⁺ agisca dinamicamente nei processi cellulari e nello sviluppo.

Da non dimenticare, poi, l’azione regolatrice nelle cellule di organismi già sviluppati. Le alterazioni risultano quindi fatali. Alteriamo, quindi, il modello cellulare Ca²⁺ , quando esponiamo i pesci d’acqua tenera ad acqua dura oppure quando trasferiamo le uova di questi pesci in acqua dura affinché si sviluppino? Con ogni probabilità, sì.

La concentrazione cellulare di Ca²⁺è regolata da pompe

In effetti, le cellule, per trattare con Ca²⁺ come descritto, devono disporre di meccanismi straordinariamente efficaci in grado di pompare Ca in modo regolare.

Solo allora è possibile variare le concentrazioni in modo differenziato.

E solo se il contenuto di Ca²⁺ può essere mantenuto al minimo, questo ione funge da messaggero, che può essere aumentato in modo mirato a seguito di impulsi.

Infatti, in stato di quiete le cellule mantengono la propria concentrazione di Ca libero a livelli molto bassi, circa 10 -7 M, mentre la concentrazione di Ca²⁺ è molto più elevata, circa 10 000 x (10 -3 M), all’esterno delle cellule o in determinati organuli, come ER ⁽⁵⁾ o i mitocondri ⁽⁶⁾ , che fungono da "centrali di energia" della cellula.

Questi squilibri trovano spiegazione nel sistema di pompe Ca²⁺ e canali Ca²⁺ (fig. 3).

Le pompe estraggono lo ione dal citoplasma (bianco) e lo trasportano nei serbatoi di Ca²⁺ , come mitocondri, ER oppure all’esterno della cellula.

Esse lavorano contro gradiente, quindi da concentrazioni basse a concentrazioni alte, e in questo processo consumano energia.

Sono responsabili del mantenimento della concentrazione estremamente limitata di Ca²⁺ nel citoplasma.

Al contrario i canali, rappresentati dai pori Ca²⁺ specifici ⁽⁷⁾ , agiscono secondo il gradiente di concentrazione e non consumano energia.

Legati nella sequenza segnale, si aprono in seguito ad uno stimolo (freccia superiore) ed aumentano localmente la concentrazione di ioni Ca²⁺ liberi nel citoplasma.

La valanga di informazioni passa attraverso la cellula e viene frenata dalle pompe che quindi ristabiliscono la concentrazione d’equilibrio di Ca²⁺ .

3) - Apistogramma macmasteri sia

figura 4 - Hyphessobrycon bentosi bentosi

2) - Hyphessobrycon bentosi bentosi, pur essendosi adattati a vivere in acquari con acqua dura, richiedono per la loro riproduzione acqua tenera fino a 200 µS/cm ovvero un grado di durezza pari a max. 6° dH. foto H. Linke

Forme adattate e non adattate

Torniamo ai pesci d’acqua tenera, alle loro uova e all’"ipotesi di studio" citata all’inizio. Una cellula uovo, che è adattata all’acqua tenera e quindi a basse concentrazioni di Ca²⁺ , richiede un dispendio relativamente limitato in pompe Ca²⁺ per mantenere bassa la concentrazione di questo catione nel citoplasma.

Nella tabella la situazione è calcolata secondo modello. La concentrazione cellulare (interna), in condizioni di riposo, è costantemente bassa; questo significa che, in acqua tenera, le pompe devono mantenere un gradiente di concentrazione di circa 1000 volte (o meno, poiché molte acque tropicali sono di gran lunga più povere di Ca²⁺) .

La stessa cellula, esposta ad acqua dura, deve lottare contro gradienti di molto superiori: con durezza 7, già 13 000 volte (numeri chiari). Sembra molto probabile che una cellula adattata ad acqua tenera non sia in grado di far fronte alla situazione, in quanto dispone di pompe non sufficienti o non abbastanza efficaci, messe a punto nel corso dell’evoluzione adattandosi all’ambiente naturale.

Il risultato sarebbe una cattiva regolazione della concentrazione di Ca²⁺ nella cellula in acqua dura, con conseguenze biologiche di vasta portata.

Questo almeno nel caso di pesci della classe III (vedi tabella); per i pesci di categoria II e I tale riduzione sarebbe molto meno evidente e le cellule uovo sarebbero più tolleranti nei confronti delle alte concentrazioni di Ca²⁺.

Per una valida argomentazione dovrebbero essere condotte le relative ricerche molecolari (oggi possibili) sulla frequenza e l’efficienza di pompe e canali Ca²⁺ con uova di pesci d’acqua tenera.

Quali conclusioni possiamo fin qui trarre per l’acquariofilia?

Gli ioni Ca²⁺ sono componenti essenziali delle sequenze segnale e controllano processi critici nelle cellule.

Negli organismi viventi il calcio è quindi molto di più di un semplice componente della durezza dell’acqua.

Per la cura e l’allevamento di pesci d’acqua tenera: a seconda del grado di durezza carbonatica dell’acqua di partenza è raccomandabile, se non obbligatoria, la regolazione o la diminuzione del contenuto di calcio fino ad un livello specifico secondo la specie in questione.

Letteratura

C RETON , R., S PEKSNIJDER e J AFFE , L.(1998) Patterns of free calcium, in zebrafish embryos. J Cell Sci.11l, 1613- 1622.

⁽¹⁾ Eucarioti: cellule con nucleo e membrane cellulari.

⁽²⁾ Citoplasma: la sostanza vivente delle cellule, escluso il nucleo.

⁽³⁾ Enzimi: proteine che contribuiscono, quali catalizzatori, a quasi tutti i processi biologici.

(4) Cloroplasti: organuli delle cellule vegetali nei quali avvengono le reazioni fotosintetiche.

(5) ER = reticolo endoplasmatico, sistema di membrane visibile solo al microscopio.

(6) Mitocondri: organuli delle cellule che fungono da produttori di energia.

⁽⁷⁾ Pori Ca²⁺ specifici: canali posti sulla membrana cellulare che permettono esclusivamente il passaggio del Ca²⁺

Il Calcio (Ca²⁺) ed i "pesci di acqua tenera"

Tre categorie di sensibilità alla durezza

Sequenze segnale

I pesci reagiscono agli stimoli ambientali attraverso sequenze segnale

Ca²⁺si può vedere nelle cellule

Ca²⁺ nello sviluppo embrionale

Dinamica marcata del segnale Ca²⁺

La concentrazione cellulare di Ca²⁺è regolata da pompe

Forme adattate e non adattate

Quali conclusioni possiamo fin qui trarre per l’acquariofilia?

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