In una versione molto semplificata della catena alimentare che si trova nei laghi, le microalghe vengono mangiate dalle pulci d’acqua chiamate Dafnie, che a loro volta vengono mangiate dai pesci. Ma le cose si complicano molto rapidamente se osservate in modo più dettagliato. Le alghe rilasciano tossine per difendersi e formano lunghe catene per eludere i predatori (Van Donk et al., 2011), mentre la Dafnia può cambiare forma o muoversi per evitare di essere mangiata dai pesci.
Un modo in cui la Daphnia e gli altri membri dello zooplancton evitano i predatori è spostarsi a diverse profondità del lago a seconda dell’ora del giorno, una strategia nota come migrazione verticale diel. Se l’acqua circostante contiene pesci, la Dafnia si sposta in regioni più scure e profonde durante il giorno, in modo che il pesce non possa vederle (Figura 1), e si sposta negli strati superiori della colonna d’acqua – dove vivono le microalghe – di notte. Se non ci sono molti pesci nelle vicinanze, la Daphnia rimane vicino alla superficie anche durante il giorno (Lampert, 1989).
Le pulci d’acqua della daphnia cambiano il loro comportamento se i pesci sono presenti.
Sinistra: Durante il giorno le Dafnie migrano verso regioni più profonde e più scure del lago se rilevano segnali chimici chiamati kairomoni (non mostrati) che vengono rilasciati dai pesci. Medio: Di notte, quando i pesci non possono vederli, le Dafnie si spostano verso l’acqua vicino alla superficie per mangiare le microalghe (cerchi verdi) che sono abbondanti lì. A destra: quando non ci sono pesci, non ci sono kairomoni da rilevare, e la Dafnia rimane vicino alla superficie giorno e notte.
Le specie di prede devono bilanciare attentamente le loro risorse. Evitare inutilmente i predatori costa energia e può limitare l’accesso al cibo – le microalghe mangiate dalla Dafnia non vivono nelle profondità oscure del lago – ma incontrare accidentalmente un predatore può essere fatale. Di conseguenza, alcune specie si sono adattate per rilevare le sostanze chimiche rilasciate dai predatori. L’identificazione di molte di queste sostanze chimiche, chiamate kairomoni, ha aperto nuove aree di ricerca nell’ecologia acquatica, nella conservazione e nell’acquacoltura (Yasumoto et al., 2005; Selander et al., 2015; Weiss et al., 2018).
La ricerca del kairomone che induce la migrazione verticale diel, noto anche come “fattore pesce”, è in corso da decenni, con spettacolari fallimenti e interpretazioni errate sulla strada (vedere Pohnert e von Elert, 2000 per una discussione). Numerosi ostacoli hanno complicato la ricerca: il fattore pesce si verifica in basse concentrazioni nell’acqua del lago, e gli esperimenti di analisi biologica che potrebbero identificarlo sono problematici perché è difficile monitorare il movimento verticale della Dafnia in un ambiente di laboratorio. Ora, in eLife, Meike Hahn, Christoph Effertz, Laurent Bigler e Eric von Elert riportano l’identità di questo kairomone (Hahn et al., 2019).
Hahn et al. – che hanno sede presso l’Università di Colonia e l’Università di Zurigo – utilizzato un metodo di frazionamento bio-saggio guidato per identificare il fattore pesce. Una tecnica chiamata Cromatografia liquida ad alte prestazioni ha permesso all’acqua in cui i pesci erano stati precedentemente incubati di essere separati in “frazioni” che contenevano ciascuna un sottoinsieme di sostanze chimiche. L’esame dell’effetto di ciascuna frazione sul comportamento migratorio della Dafnia ne ha rivelato uno che ha indotto la migrazione verticale diel anche se i pesci non erano presenti. Hahn et al. identificato la sostanza chimica attiva come 5α-ciprinolo solfato. Solo le concentrazioni picomolari di questo composto si trovano nell’acqua abitata dai pesci, ma anche queste basse concentrazioni sono sufficienti a modificare il comportamento migratorio della Dafnia.
Poiché il rilascio di kairomoni pone le specie predatrici in svantaggio, una specie di preda può contare su di esse solo se il predatore non può interrompere la produzione della molecola. Questo è il caso del 5α-ciprinolo solfato, che è un acido biliare che svolge un ruolo essenziale nella digestione dei grassi alimentari (Hofmann et al., 2010). Il pesce rilascia 5α-cyprinol solfato dall’intestino, dalle branchie e dal tratto urinario. Poiché questa molecola è anche stabile in acqua, indica in modo affidabile la presenza di pesci alla Dafnia.
Oltre alle molte implicazioni per la ricerca di base, la scoperta che solo quantità picomolari di un composto possono innescare risposte comportamentali diffuse in un lago solleva anche preoccupazioni ecotossicologiche. Mentre esaminiamo le nostre acque per metaboliti che causano tossicità immediata, ignoriamo completamente il fatto che dosi non tossiche di tali sostanze chimiche di segnalazione altamente potenti possono anche avere un effetto sostanziale su un ecosistema. Ciò richiede una nuova valutazione delle procedure di routine utilizzate nel monitoraggio ambientale.
I kairomoni non sono gli unici segnali chimici utilizzati dalle specie che abitano i laghi. Feromoni (Frenkel et al., 2014), i metaboliti e le molecole di difesa che aiutano le specie a superarsi a vicenda contribuiscono anche agli intricati meccanismi di segnalazione negli ecosistemi acquatici (Berry et al., 2008). Possiamo concludere che questi ambienti sono davvero modellati da un paesaggio chimico diversificato, un linguaggio di vita che stiamo appena iniziando a capire.
