Attacco allo spettro di Sheldon

 

Il 19 novembre 1969, la nave di ricerca Hudson salpò dalle gelide acque del porto di Halifax in Nuova Scozia e si inoltrò in mare aperto. La nave iniziava ciò che molti scienziati marini a bordo consideravano l'ultimo grande viaggio di esplorazione oceanica: la prima circumnavigazione completa delle Americhe. La nave era diretta a Rio de Janeiro, dove avrebbe imbarcato altri scienziati prima di attraversare Capo Horn, il punto più meridionale delle Americhe, e poi dirigersi a nord attraverso il Pacifico per attraversare il periglioso Passaggio a Nord-Ovest fino al porto di Halifax, dove tornò il 16 ottobre 1970. 

Lungo la strada, l'Hudson faceva frequenti soste in modo che i ricercatori potessero raccogliere campioni ed effettuare misurazioni. Uno di quegli scienziati, Ray Sheldon, era salito a bordo dell'Hudson a Valparaíso, nel Cile meridionale. Ecologista marino presso il Bedford Institute of Oceanography in Canada, Sheldon era affascinato dal plancton microscopico che sembrava essere ovunque nell'oceano: quanto erano diffusi questi minuscoli organismi? Per scoprirlo, Sheldon e i suoi colleghi raccoglievano e portavano secchi di acqua di mare fino al laboratorio dell'Hudson e utilizzavano un congegno per rilevare le dimensioni e il numero di creature planctoniche. 

La vita nell'oceano, scoprirono, seguiva una semplice regola matematica: l'abbondanza di un organismo è strettamente legata alle dimensioni del suo corpo. Per dirla in altro modo, più piccolo è l'organismo, più ce n’è. Ciò che era più sorprendente fu il modo in cui questa regola sembrava funzionare. Quando Sheldon e i suoi colleghi classificarono i campioni di plancton per ordini di grandezza, scoprirono che ogni intervallo di dimensioni conteneva esattamente la stessa massa di creature. In un secchio di acqua di mare, un terzo della massa del plancton era compreso tra 1 e 10 micrometri, un altro terzo era compreso tra 10 e 100 micrometri e l'ultimo terzo era compreso tra 100 micrometri e 1 millimetro. Ogni volta che scalavano di un intervallo di dimensioni, il numero di individui in quel gruppo diminuiva di un fattore 10. La massa totale rimaneva la stessa, mentre la dimensione delle popolazioni cambiava. Ad esempio, mentre il krill è 12 ordini di grandezza (circa mille miliardi) più piccolo del tonno, è anche 12 ordini di grandezza più abbondante del tonno. Quindi ipoteticamente, tutta la carne di tonno nel mondo sommata (biomassa di tonno) è più o meno la stessa quantità (almeno entro lo stesso ordine di grandezza) di tutta la biomassa di krill nel mondo. 

Sheldon pensava che questa regola potesse governare tutta la vita nell'oceano, dal più piccolo batterio alle più grandi balene. Questa intuizione si è rivelata vera. Lo spettro di Sheldon, come è stato chiamato, è stato osservato anche nel plancton, nei pesci e negli ecosistemi di acqua dolce. (In effetti, uno zoologo russo aveva osservato lo stesso schema nel suolo tre decenni prima di Sheldon, ma la sua scoperta passò per lo più inosservata). 

Lo spettro di Sheldon è una distribuzione a legge di potenza (power law distribution) cioè una relazione del tipo: 

dove µ indica proporzionale, cioè uguale a meno di un fattore moltiplicativo, a (>1) è chiamato esponente della legge di potenza e L(x) è una funzione "che varia lentamente". Quando L(x) è una costante, la distribuzione diventa: 

con C costante di normalizzazione. 

Una distribuzione che obbedisce alla legge di potenza è denominata anche scale-free distribution (distribuzione a invarianza di scala), o anche distribuzione di Pareto. La particolarità di questo tipo di distribuzione sta proprio nell'assenza di una scala caratteristica dei fenomeni. Le leggi di potenza hanno vasta applicazione in biologia, dai modelli di attività neurale ai viaggi alla ricerca di cibo di varie specie. 

Di solito le distribuzioni power-law sono rappresentate su un grafico log-log, cioè un grafico in cui entrambe le variabili sugli assi sono espresse in logaritmi. Trasformando in logaritmi si ha infatti: 

e la relazione diventa lineare. 

Tornando allo spettro di Sheldon, il rapporto rimane approssimativamente lo stesso man mano che ci si sposta più in alto nella catena alimentare. Solo alle estremità estreme dello spettro (i batteri più piccoli e le balene più grandi) le misurazioni hanno iniziato a variare. Un altro modo per comprendere la relazione tra dimensioni e numeri è esaminare il peso dei singoli organismi: 

Biomassa oceanica totale (peso umido) suddivisa in classi dimensionali rilevanti (g, peso umido) per ciascun gruppo per stimare lo spettro dimensionale globale. Ciò è mostrato come il numero totale di individui in ogni classe di grandezza dell'ordine di grandezza sulla piattaforma epipelagica e continentale dell'oceano (superiore a ~ 200 m), dando un esponente di -1,04 (IC 95%: da -1,05 a -1,02). La fascia grigia di confidenza include l'incertezza della biomassa in ciascuna classe dimensionale e l'incertezza nella distribuzione dimensionale di ciascun gruppo. Si noti che gli assi nel grafico sono logaritmici. Come mostra l'equazione nell'angolo in alto a destra, le due grandezze sono legate da una legge che è quasi di proporzionalità inversa. (da Hatton, Heneghan, Bar-On, Galbraith. The global ocean size spectrum from bacteria to whales. Sci Adv. 2021 Nov 12).

Da quando è stato proposto per la prima volta nel 1972, questo modello era stato testato solo all'interno di gruppi limitati di specie in ambienti acquatici, su scale relativamente piccole. Dal plancton marino, ai pesci in acqua dolce, lo schema è rimasto valido: la biomassa delle specie più grandi e meno abbondanti era più o meno equivalente alla biomassa delle specie più piccole ma più abbondanti. 

Ora, l'ecologo Ian Hatton del Max Planck Institute e colleghi hanno cercato di vedere se questa legge riflette anche ciò che sta accadendo su scala globale. Una delle maggiori sfide nel confrontare gli organismi che vanno dai batteri alle balene sono le enormi differenze di scala. I ricercatori hanno stimato gli organismi all'estremità piccola della scala da più di 200.000 campioni d'acqua raccolti a livello globale, ma una vita marina più ampia richiedeva metodi completamente diversi. 

Utilizzando i dati storici, il gruppo ha confermato che lo spettro di Sheldon si adatta a questa relazione a livello globale per le condizioni oceaniche preindustriali (prima del 1850). In 12 gruppi di vita marina, inclusi batteri, alghe, zooplancton, pesci e mammiferi, oltre 33.000 punti della griglia dell'oceano globale, si sono verificate quantità approssimativamente uguali di biomassa in ciascuna categoria di dimensioni dell'organismo. Si è scoperto che ogni classe di dimensioni dell'ordine di grandezza contiene circa 1 gigatonnellata di biomassa a livello globale. 

Hatton e la sua squadra hanno discusso le possibili spiegazioni per questo fatto, comprese le limitazioni imposte da fattori come le interazioni predatore-preda, il metabolismo, i tassi di crescita, la riproduzione e la mortalità. Molti di questi fattori si adattano anche alle dimensioni di un organismo. Ma a questo punto sono tutte speculazioni. Ciò che stupisce è la costanza della regola: perché il rapporto tra numero e dimensioni è questo e non un altro? 

Vi erano tuttavia due eccezioni alla regola, ad entrambi gli estremi della scala dimensionale esaminata. I batteri erano più abbondanti di quanto previsto dalla legge e le balene molto meno. Ancora una volta, il perché è un mistero completo. 

I ricercatori hanno quindi confrontato questi risultati con la stessa analisi applicata ai campioni e ai dati attuali. Sebbene la legge di potenza fosse per lo più ancora verificata, c'era una netta interruzione nello schema, evidente con organismi più grandi. 

"L’impatto umano sembra aver tagliato in modo significativo il terzo superiore dello spettro", ha scritto il gruppo nell’articolo. "Gli esseri umani non hanno semplicemente sostituito i principali predatori dell'oceano, ma hanno invece, attraverso l'impatto cumulativo degli ultimi due secoli, alterato radicalmente il flusso di energia attraverso l'ecosistema". 

Sebbene i pesci rappresentino meno del 3% del consumo annuale di cibo umano, il gruppo ha scoperto che abbiamo ridotto la biomassa di pesci e mammiferi marini del 60% dal 1800. È anche peggio per gli animali più grandi della Terra: la caccia storica ha determinato una riduzione del 90% delle balene.

Questo fatto mette davvero in evidenza l'inefficienza della pesca industriale. Le nostre attuali strategie stanno sprecando molta più biomassa, e l'energia che contiene, di quanta ne consumiamo effettivamente. Inoltre, non abbiamo sostituito il ruolo che una volta svolgeva la biomassa, nonostante ora siamo una delle più grandi specie di vertebrati per biomassa. 

Circa 2,7 gigatonnellate sono state perse dai più grandi gruppi di specie negli oceani, mentre gli esseri umani costituiscono circa 0,4 gigatonnellate. Sono necessari ulteriori ricerche per capire come questa massiccia perdita di biomassa influenzi gli oceani. 

In particolare, la riduzione di grandi animali sembra guidare l'evoluzione di pesci più piccoli o di quelli che diventano sessualmente maturi in giovane età, o entrambi. Molte popolazioni di pesci stanno cambiando drasticamente, con una dimensione media che si riduce del 20% e vite medie più brevi del 25%. Le specie raccolte mostrano i cambiamenti di tratto più bruschi mai osservati nelle popolazioni selvatiche, hanno riferito di recente Michael Kinnison dell'Università del Maine e colleghi. 

Tali cambiamenti sono stati documentati in molti luoghi, tra cui: sardine al largo dell'Africa occidentale; platessa americana al largo di Terranova; salmone atlantico in Canada e Regno Unito; aringhe e temoli al largo della Norvegia; salmone keta in Giappone; sogliola, eglefino e passera di mare nel Mare del Nord; coregone in Alberta; salmone rosso in Alaska; varie specie di salmone nella Columbia Britannica; crostacei in California e merluzzo un po' ovunque. Inoltre, questo lungo elenco include solo i casi in cui sono stati condotti studi rigorosi. È probabile che tali cambiamenti si stiano verificando in ogni popolazione in cui sono presi di mira i pesci di grandi dimensioni. 

Quindi questi cambiamenti sono davvero il risultato dell'evoluzione, o semplicemente una risposta temporanea alle pressioni ambientali? "È molto probabilmente un misto dei due", afferma Kinnison. "L'evoluzione è una componente sostanziale." 

In molti casi, ad esempio, i ricercatori hanno dimostrato che una volta che i pesci raggiungono una certa taglia ed età, è più probabile che diventino prima sessualmente maturi rispetto alle generazioni precedenti. Ciò esclude la maggior parte delle spiegazioni ambientali, come il fatto che i pesci maturano in età precoce perché trovano più cibo e crescono più velocemente. 

Non vi è inoltre alcun dubbio sulla plausibilità di un'evoluzione così rapida. Uno studio decennale sui latterini orientali tenuti in vasche ha dimostrato che un'intensa azione mirata su individui di grandi dimensioni può dimezzare la taglia media in sole quattro generazioni. 

In realtà il tracciamento dei cambiamenti genetici coinvolti non era fattibile fino a poco tempo fa, ma ora è stato fatto per il merluzzo bianco al largo dell'Islanda. I merluzzi con una variante del gene Pan I vivono in acque costiere poco profonde, mentre quelli con un'altra variante vivono in acque più profonde più al largo. Poiché i pescherecci prendono di mira il merluzzo nelle acque costiere poco profonde, la variante poco profonda sta rapidamente diventando meno comune. 

Alcune delle misure di gestione stanno peggiorando le cose. Il merluzzo che vive in profondità si sposta nelle zone costiere poco profonde per deporre le uova, ma queste aree sono chiuse alla pesca durante la deposizione delle uova; quindi, i pesci che vivono in profondità sopportano sempre il peso maggiore della pesca. Nella peggiore delle ipotesi, i pesci poco profondi potrebbero scomparire in 15 anni. Ciò potrebbe portare al collasso della pesca, perché il merluzzo che vive in profondità è molto più difficile, e quindi più costoso, da catturare. 

Esistono altri motivi di preoccupazione, oltre a quello della pesca indiscriminata delle specie più grandi.

La plastica, ad esempio, che galleggia nell'acqua di mare assomiglia molto al cibo per gli uccelli marini (non considerati dalla carta) e per alcune specie di pesci e mammiferi. Le microplastiche hanno effetti ancor più subdoli e deleteri sulle reti alimentari. 

Un altro impatto degli esseri umani sullo spettro di Sheldon è molto meno chiaro, ma il cambiamento climatico antropogenico sta alterando sia la temperatura dell'acqua che la chimica dell'acqua degli oceani. La maggior parte dei microrganismi si è evoluta per un intervallo di temperatura abbastanza ristretto; alterare la temperatura dell'acqua può avere un impatto su di loro. E la CO₂ atmosferica disciolta acidifica l'oceano; con troppa acidificazione, gli organismi dipendenti dalla generazione di carbonato di calcio per gli esoscheletri – molti organismi planctonici e la maggior parte dei molluschi – non possono sopravvivere. Quale sarà l'impatto della scomparsa delle creature marine con esoscheletri?

Qual è l'effetto della distruzione dello spettro di Sheldon? Nessuno lo sa, ma sicuramente non è una buona cosa.