Fisiologia degli Organismi Marini

M74 - BIOLOGIA ED ECOLOGIA DELL'AMBIENTE MARINO ED USO SOSTENIBILE DELLE
SUE RISORSE
2015/2016
Physiology of Marine Organisms
(C. Agnisola)
Aim: The course deals with some major physiological aspects of marine animals viewed from a
comparative and environmental perspective. The emphasis is on the adaptation of the animal to its
environment (both chemico-physical and biotic).
Organization: the course is planned as five series of front lectures on the basic topics in
ecophysiology listed below. At the end of each series, students will be requested to prepare a written
report and discuss on specific themes within each topic, based on reviews and experimental papers
available in the literature. The discussion will be in the presence of the whole class of students, with
the help of a power point presentation. Discussion among students will be encouraged.
Evaluation: A) written reports; several criteria will be considered with different weights: a higher value
will be given to quality of content, i.e. completeness and balance between background description,
major theme description and conclusions, as well as synthesis ability; a lower weight will be given
to: style of the report, presence of original comments and an original graphical presentation. B) oral
presentation and discussion: higher weight given to organization of the presentation, ability to
correctly describe both basic concepts and experimental details; a lower weight will be given to the
ability to rise interest in the audience and to reply and discuss the questions posed by teacher and
colleagues.
TOPICS
Basic concepts of environmental physiology of animals. Physiological approaches to biological
phenomena. The environment from the ecophysiological point of view. Biodiversity and levels of
organization. Emergent properties and dimensions of analysis. Interspecific comparison and
adaptation to extreme environments as tools in ecophysiology. The varying environment:
environmental stress and range of tolerance. Environment vs animal diversity and plasticity.
Phenotypic adaptation: regulation, conformity and avoidance.
Thermal relations between body animal and environment. Poikilothermy vs homeothermy.
Endothermy vs ectothermy. Heterothermy. Biochemical adaptation to the environmental temperature:
homeoviscous adaptation; adaptation in the protein denaturation time, enzymatic properties and
mitochondrial density. Evaluation of temperature tolerance: UCT, LCT and tolerance polygons. UCT
diversity in the aquatic environment. LCT and adaptation to cold environments. Freezing tolerance
and avoidance. Cryoprotectans. Supercooling and antifreeze compounds. Adaptation in Arctic and
Antarctic environments. Termoregulation: basic concepts; thermoregulatory adaptations in marine
mammals and birds. Heterothermy in marine fish: mechanisms of cranial, muscular and visceral
homeothermy. Ecological relevance of fish heterothermy.
Water and ion homeostasis. Homeostasis of intracellular ionic composition. Intra- vs extracellular
ionic composition in marine animals. Obligatory and regulated ionic and water exchanges in the
aquatic environment. Osmoregulation and osmoconformity. Role of gills, intestine and kidneys in the
osmotic and ionic balance, with special reference to elasmobranchs and marine teleosts. The salt
gland. The problem of volume regulation: from cell to whole body.
The cardio-respiratory adaptation to the marine environment. General organization of
circulatory system: constraints imposed by the matching between diffusive and massive flow in
circulatory systems. Closed vs open systems. Diversity of open circulation in marine invertebrates.
The closed system of Cephalopoda. The vertebrate circulation. Primary and secondary circulation
in teleosts. The heart: electric properties of myocardial tissue; the neurogenic heart of crustaceans;
the myogenic heart of fish and other vertebrates; the cardiac cycle. The vascular system: functional
properties of arteries, veins and capillaries. The windkessel role of arteries; the teleostean bulbus.
Myocardium supply: compacta vs spongiosa myocardial organization. Functional adaptation of the
heart to the environment and lifestyle: the volume heart pump of icefish vs the pressure heart pump
of tuna. Respiration in water: gill functional properties in invertebrates and fish. Gill properties,
environment and lifestyle. Involvement of the cardio-respiratory system in the adaptation of marine
animals to hypoxia: metabolic conformity and regulation; adaptive changes in the respiratory
pigments (haemocyanin and haemoglobin).
Buoyancy in the marine environment. Buoyancy and body shape in planktonic animals.
Modulation of body density in marine animals: ion composition of body fluid; lipid accumulation; the
rigid gas chambers of cephalopods; the teleostean gas swim bladder and the role of the haemoglobin
Root effect in the gas gland function.
Reference Textbooks:
Willmer, Stone, Johnston. Environmental Physiology of animals. Second Edition. Blackwell
Publishing. 2005. ISBN: 978-1-4051-0724-2
The most updated textbooks are the following (in Italian):
Poli et al., Fisiologia animale, Edises, 2014.
Poli e Fabbri, Fisiologia degli animali marini, Edises, 2012
Obiettivo: Il corso affronta alcuni dei aspetti fisiologici principali degli animali marini visti da una
prospettiva comparata e ambientale. L'enfasi è sull'interazione dell'animale con l'ambiente (sia
chimico-fisico che biotico).
Organizzazione: il corso prevede cinque serie di lezioni frontali sui temi ecofisiologici di base elencati
più avanti. Alla fine di ogni sezione, gli studenti saranno invitati a preparare una relazione scritta e a
discutere oralmente temi specifici all'interno di ogni argomento, sulla base di review e articoli
sperimentali disponibili in letteratura. La discussione sarà fatta in presenza di tutta la classe di
studenti, con l'aiuto di una presentazione in power point. La discussione tra gli studenti sarà
incoraggiata.
Valutazione: A) relazione scritta; saranno considerati diversi criteri con pesi differenti: valore
superiore sarà data alla qualità dei contenuti, ed in particolare la completezza e l'equilibrio tra
descrizione del backgroud, del tema centrale e delle conclusioni, nonché la capacità di sintesi; minor
peso sarà dato a: stile della relazione, la presenza di commenti originali e una presentazione grafica
originale. B) presentazione orale e discussione: maggiore peso sarà dato: organizzazione della
presentazione, e capacità di descrivere correttamente sia i concetti di base che i dettagli sperimentali;
peso minore sarà data alla possibilità di generare interesse nella audience e di rispondere alle
domande poste dal docente e colleghi.
ARGOMENTI
Concetti di base della fisiologia ambientale degli animali. Approccio fisiologico allo studio dei
fenomeni biologici. L'ambiente dal punto di vista ecofisiologico. Biodiversità e livelli di organizzazione.
Proprietà emergenti e dimensione di analisi. Confronto interspecifico e adattamento ad ambienti
estremi come strumenti in ecofisiologia. L'ambiente variabile: stress ambientale e range di tolleranza.
Ambiente vs diversità e plasticità animale. Adattamento fenotipico: regolazione, conformità ed
evitamento.
Relazioni termiche tra animale e ambiente. Pecilotermia vs omeotermia. Endotermia vs
ectotermia. Eterotermia. Adattamento biochimico alla temperatura ambientale: l'adattamento
omeoviscoso; adattamento del tempo di denaturazione proteica, delle proprietà enzimatiche e della
densità mitocondriale. Valutazione della tolleranza termica: UCT, LCT e poligoni di tolleranza.
Diversità dell’UCT in ambiente acquatico. LCT e adattamento ad ambienti freddi. Congelamento:
tolleranza ed evitamento. Crioprotettivi. Supercooling e composti antigelo. Adattamento agli ambienti
Artico e Antartico. Termoregolazione: concetti di base; adattamenti termoregolativi in mammiferi e
uccelli marini. Eterotermia in pesci marini: meccanismi di omeotermia cranica, muscolare e viscerale.
Rilevanza ecologica della eterotermia nei pesci.
L'omeostasi idrica e salina. L'omeostasi della composizione ionica intracellulare. Composizione
ionica intra- ed extracellulare in animali marini. Scambi obbligatori e regolati di ioni e acqua in
ambiente acquatico. Osmoregolazione e osmoconformità. Ruolo di branchie, intestino e reni nel
bilancio osmotico e ionico, con particolare riferimento a elasmobranchi e teleostei marini. La
ghiandola del sale. Il problema della regolazione del volume: dalla cellula a tutto il corpo.
Adattamento cardio-respiratorio in ambiente marino. Organizzazione generale del sistema
circolatorio: limiti imposti dal matching tra flusso diffusivo e massivo nel sistema circolatorio. Sistemi
aperti e chiusi. Diversità della circolazione aperta nei invertebrati marini. Il sistema chiuso dei
cefalopodi. La circolazione nei vertebrati. La circolazione primaria e secondaria dei teleostei. Il cuore:
proprietà elettriche del tessuto miocardico; il cuore neurogenico dei crostacei; il cuore miogenico di
pesci e altri vertebrati; il ciclo cardiaco. Il sistema vascolare: proprietà funzionali di arterie, vene e
capillari. Il ruolo windkessel delle arterie. Il bulbo dei teleostei. Organizzazione compatta e spongiosa
del miocardio. Adattamento funzionale del cuore all'ambiente e stile di vita: la pompa di volume
cardiaca dell’icefish vs la pompa di pressione cardiaca dei tonni. La respirazione in acqua: proprietà
funzionali delle branchie in invertebrati e pesci. Rapporto tra funzione branchiale, ambiente e stile di
vita. Il coinvolgimento del sistema cardio-respiratorio nell'adattamento di animali marini all'ipossia:
conformità e regolazione metabolica; cambiamenti adattativi nei pigmenti respiratori (emocianina ed
emoglobina).
Galleggiabilità in ambiente marino. Galleggiabilità e forma del corpo negli animali planctonici. La
modulazione della densità del corpo in animali marini: composizione ionica dei liquidi corporei;
l’accumulo di lipidi; le camere gassose rigide dei cefalopodi; la vescica natatoria dei teleostei e il
ruolo dell'effetto Root dell’emoglobina nell’attività della ghiandola del gas.
Testi di riferimento:
Willmer, Stone, Johnston. Environmental Physiology of animals. Second Edition. Blackwell
Publishing. 2005. ISBN: 978-1-4051-0724-2
I testi più aggiornati disponibili sono i seguenti (in italiano):
Poli et al., Fisiologia animale, Edises, 2014.
Poli e Fabbri, Fisiologia degli animali marini, Edises, 2012