Il ragno infinito

Come funzionano le zampe dei ragni

Parliamoci chiaro, i ragni sono considerati inquietanti da una grande maggioranza di persone in tutto il mondo. Eppure, quando glielo chiedi, la maggior parte della gente non sa davvero dire cosa c’è nei ragni che li spaventa così tanto. Di solito le spiegazioni iniziano con gli occhietti, le zanne, i morsi, o l’avvolgere la loro preda. Anche il movimento dei ragni è in cima alla lista. Se ne vanno in giro di notte (specialmente quando si accendono le luci e si allontanano), saltano e generalmente corrono in un modo “inquietante”. Ma cosa rende il loro movimento davvero estraneo e inquietante per noi? La risposta sta in due elementi chiave della loro anatomia, il loro scheletro e i loro muscoli.

Prima di tutto, guardate questo breve video di un ragno che cammina, per darvi un po’ di contesto:

I ragni sono artropodi, che letteralmente significa “piedi uniti”. Come tutti gli artropodi mancano di ossa e di uno scheletro interno. Hanno invece uno scheletro esterno duro chiamato esoscheletro. Questo esoscheletro è fatto di chitina, qualcosa di simile alle nostre unghie e capelli. È super forte e leggero. Ma cosa c’entra questo con il loro inquietante movimento? I ragni non hanno ossa interne, il che significa che non hanno gli stessi muscoli e attacchi che hanno i vertebrati.

Nel corpo dei vertebrati, come gli esseri umani, ci sono tre tipi di muscoli. Questi sono cardiaci (cuore), viscerali (organi interni) o scheletrici. Le ossa del nostro scheletro sono mosse da muscoli che si attaccano direttamente ad ogni osso in coppie antagoniste. Questi sono i flessori e gli estensori. La contrazione dei muscoli flessori fa sì che un’articolazione si pieghi (pensate a “flettere il muscolo”), mentre gli estensori fanno aprire un’articolazione. I flessori e gli estensori ci danno un movimento fluido nel movimento dei nostri muscoli. I ragni non hanno questo stesso movimento.

Gli esseri umani hanno solo un’articolazione principale per arto (ginocchio, gomito, ecc), ma i ragni hanno sette articolazioni per ogni gamba. Il vantaggio di avere un esoscheletro multi articolato è che i ragni non hanno il supporto delle ossa per una flottiglia di flessori ed estensori. Non c’è abbastanza spazio all’interno dei loro corpi per l’attacco, e anche se ci fosse, tutti quei muscoli li renderebbero super pesanti e pesanti. Inoltre i ragni non avrebbero abbastanza energia per mantenere caldi quei muscoli (è dura essere una creatura a sangue freddo) né abbastanza ossigeno per sostenere un gran numero di muscoli.

Quindi, se i ragni possono flettere naturalmente i loro arti verso l’interno, come fanno a spingere le gambe verso l’esterno per correre, saltare e muoversi senza estensori? La risposta è la pressione idraulica. Il corpo di uno scheletro è pieno di un fluido che è come il sangue (anche se un po’ diverso) chiamato emolinfa. Se vi ricordate, i ragni hanno solo due parti del corpo, la prima è la testa e il centro fusi, chiamata cefalotorace (#2 sotto). L’altra è il loro addome (#3).

Tutte le otto gambe del ragno sono attaccate al cefalotorace per una buona ragione. Il movimento verso l’esterno di ogni zampa è controllato attraverso il cefalotroce, che regola il movimento idraulico e la pressione dell’emolinfa. I ragni non hanno bisogno di muscoli estensori perché possono usare il movimento fluido/idraulico per “spingere” fuori le loro gambe. Il cefalotorace agisce come un soffietto molto finemente regolato, pieno di fluido, che spinge l’emolinfa intorno al corpo del ragno in una frazione di secondo. I muscoli flessori delle zampe del ragno vogliono naturalmente contrarsi, ma la pressione idraulica permette alle zampe di muoversi verso l’esterno e resistere a questa contrazione. Avete mai visto un ragno morto con tutte le otto zampe raggomitolate? Questo perché quando il ragno muore le sue zampe si contraggono naturalmente a causa della mancanza di resistenza idrostatica dei muscoli flessori.

Non pensate che solo perché i ragni non hanno set di flessori ed estensori non possano muoversi in modo efficiente. Come molti di voi sanno, possono muoversi abbastanza velocemente. Si pensa che i ragni saltatori (~1-20 mm di lunghezza) siano in grado di saltare da 30 a 40 volte la loro stessa lunghezza!

Una delle ragioni per cui i ragni sono naturalmente schizzinosi e spaventati dagli umani (leggi predatori) è perché fanno affidamento sulla pressione idrostatica nel loro scheletro. Se vengono forati o perdono una gamba, rischiano di perdere la pressione e di sgonfiarsi letteralmente. In alcune specie ci sono controlli o valvole nelle loro gambe per prevenire lo sgonfiamento, ma se perdono abbastanza emolinfa non sarebbero in grado di muoversi. Il loro corpo principale è anche molto vulnerabile alla perforazione e persino alla morte.

L’altro vantaggio di avere un esoscheletro (che tutti voi aracnofobici amerete) è che i ragni non possono crescere fino a diventare molto grandi. In parte è perché l’idraulica di questa natura e i loro esoscheletri affiliati non possono sostenere animali terrestri molto grandi. Dai un’occhiata al mio post sugli “scarafaggi killer di 50 piedi” per saperne di più.

I RAGNI E LA BIOMIMICRIA

Come i lettori abituali del mio blog sanno, adoro la biomimetica, un campo della scienza e dell’ingegneria dedicato alla modellazione di soluzioni dalla natura. L’idraulica dei ragni è attualmente studiata dai ricercatori per vedere se possono creare robot che si muovono come i ragni. Se non hai letto il mio post su biomimetica e stampanti 3D, controlla qui.

Oggi i ricercatori hanno creato un piccolo robot, realizzato con una stampante 3D, che usa l’idraulica e la pneumatica per saltare e strisciare. Proprio come un vero ragno, le gambe del robot sono controllate attraverso pompe idrauliche nell’addome della macchina. Ora, prima di farvi venire i brividi, pensate alle applicazioni di una tale macchina. Gli esseri umani potrebbero cercare rapidamente tra le macerie e i detriti negli edifici, inviare ragni robot in situazioni di ostaggio, perlustrare scarichi e fogne intasate, andare in miniere pericolose o sondare grotte. Il movimento dei ragni può sembrarvi inquietante, ma c’è una grande tecnologia che può essere sviluppata imitando i ragni.

LEZIONI DI IDRAULICA DEI RAGNI

La cosa fantastica dei ragni, e del loro movimento, è che si possono combinare lezioni di biologia, anatomia, fisiologia, idraulica e pneumatica in un’attività di ingegneria per la 5-8a classe. Ho modificato una lezione sui bracci idraulici per insegnare i ragni. Può essere semplice come usare siringhe, acqua, bastoncini di ghiacciolo, colla calda, perline, tubo dell’acquario e fascette. Il mio sito preferito era “Easy Hydraulic Machines” dal sito Instructables. Hanno istruzioni passo dopo passo e un PDF scaricabile.

Per le mie classi ho iniziato con una rapida lezione sull’anatomia del ragno, poi l’idraulica e la pneumatica (usando siringhe e tubi). Poi ho fatto lavorare gli studenti in gruppi e ho dato loro del materiale, senza istruzioni per la costruzione. Ho chiesto loro di proporre suggerimenti per un braccio idraulico, compresi i criteri e i vincoli del progetto (e sì, questo è in linea con i Next Generation Science Standards). Hanno dovuto disegnare un progetto, capire i materiali, sviluppare un concetto di come il braccio dovrebbe funzionare e poi, dopo l’approvazione, costruire il braccio. Ci possono volere due o tre periodi di lezione, a seconda che si vogliano avere sfide di “sollevamento”.

Ecco un breve video dal sito Instructables, che dà qualche idea:

Il bello di questo progetto è che può essere fatto anche a casa, per la scuola domestica, o solo per divertimento durante le vacanze. Si possono anche comprare dei kit idraulici online. Non c’è fine alla creatività!

Anche se i ragni possono essere considerati inquietanti, io li vedo come inquietanti-cool. Ci offrono una ricchezza di informazioni e di apprendimento, da come filano un materiale che è più forte del cavo d’acciaio, a come si muovono. Speriamo che ora anche tu abbia un maggiore rispetto per l’umile ragno, e lo lasci strisciare per la sua strada.