Gli scienziati hanno scoperto il segreto della finezza dei felini nell’annusare cibo, amici e nemici.
Il merito va a una complessa raccolta di strutture ossee delle vie aeree strettamente avvolte, secondo la prima analisi dettagliata delle vie aeree nasali del gatto domestico.
I ricercatori hanno creato un modello computerizzato 3D del naso del gatto e hanno simulato il modo in cui un’inalazione di aria contenente odori comuni di cibo per gatti fluirebbe attraverso le strutture a spirale. Hanno scoperto che l’aria si separa in due correnti di flusso, una che viene purificata e umidificata e un’altra che fornisce l’odore in modo rapido ed efficiente al sistema responsabile dell’olfatto: la regione olfattiva.
In sostanza, suggeriscono i ricercatori, il naso del gatto funziona come un gascromatografo altamente efficiente e a doppio scopo, uno strumento che, in laboratorio, rileva e separa le sostanze chimiche in forma vaporizzata. In effetti, il naso di gatto è così efficiente in questo che la sua struttura potrebbe ispirare miglioramenti ai gascromatografi in uso oggi.
Mentre è stato anche scoperto che il lungo naso di alligatore imita la gascromatografia, i ricercatori teorizzano che la testa di gatto compatta abbia guidato un cambiamento evolutivo che ha portato alla struttura labirintica delle vie aeree che non solo si adatta, ma aiuta i gatti ad adattarsi a diversi ambienti.
“È un buon progetto se ci pensi”, ha detto Kai Zhao, professore associato di otorinolaringoiatria presso il College of Medicine dell’Ohio State e autore senior dello studio.
“Per i mammiferi, l’olfatto è molto importante per trovare la preda, identificare il pericolo, trovare fonti di cibo e seguire l’ambiente. In effetti, un cane può annusare e sapere cosa è passato: era un amico o no?” Egli ha detto. “È un sistema olfattivo straordinario e penso che potenzialmente ci siano stati diversi modi di evolversi per migliorarlo.
“Osservando questi modelli di flusso e analizzando i dettagli di questi flussi, pensiamo che potrebbero essere due diverse zone di flusso che servono a due scopi diversi”.
La ricerca è pubblicata oggi (29 giugno 2023) in Biologia computazionale PLOS.
Il laboratorio di Zhao ha precedentemente creato modelli del ratto e del naso umano per studiare i modelli di flusso d’aria, ma il modello di gatto ad alta risoluzione e gli esperimenti di simulazione sono i suoi più complicati fino ad oggi, basati su scansioni micro-TC della testa di un gatto e identificazione a livello microscopico dei tipi di tessuto in tutta la cavità nasale.
“Abbiamo dedicato molto tempo allo sviluppo del modello e ad analisi più sofisticate per comprendere il vantaggio funzionale offerto da questa struttura”, ha affermato. “Il naso del gatto ha probabilmente un livello di complessità simile a quello del cane, ed è più complesso di quello di un roditore – e si pone la domanda – perché il naso si è evoluto per essere così complesso?”
Le simulazioni al computer della respirazione hanno rivelato la risposta: durante un’inalazione simulata, i ricercatori hanno osservato due regioni distinte di flusso d’aria: l’aria respiratoria che viene filtrata e si diffonde lentamente sopra il palato nel suo percorso verso i polmoni, e un flusso separato contenente un odore che si muove rapidamente attraverso un passaggio centrale direttamente alla regione olfattiva verso la parte posteriore della cavità nasale. L’analisi ha preso in considerazione sia la posizione del flusso che la velocità del suo movimento attraverso i turbinati, le strutture ossee all’interno del naso.
“Abbiamo misurato la quantità di flusso che passa attraverso condotti specifici, un condotto che trasporta la maggior parte delle sostanze chimiche odorose nella regione olfattiva, rispetto al resto, e abbiamo analizzato i due modelli”, ha affermato Zhao. “Per la respirazione respiratoria, i turbinati si ramificano per deviare il flusso in canali separati, una specie di griglia del radiatore in un’auto, che sarebbe meglio per la pulizia e l’umidificazione.
“Ma vuoi che il rilevamento degli odori sia molto veloce, quindi c’è un ramo che rilascia l’odore ad alta velocità, consentendo potenzialmente un rilevamento rapido piuttosto che aspettare che l’aria filtri attraverso la zona respiratoria – potresti perdere la maggior parte dell’odore se l’aria ha stato ripulito e il processo è rallentato.”
La simulazione ha anche mostrato che l’aria trasportata nella regione olfattiva viene poi fatta ricircolare in canali paralleli quando vi arriva. “In realtà è stata una sorpresa”, ha detto Zhao. “È come se annusassi, l’aria torna indietro e poi viene elaborata per un tempo molto più lungo.”
Questo studio è il primo a quantificare la differenza nella gascromatografia tra mammiferi e altre specie – Zhao e colleghi stimano che il naso del gatto sia più di 100 volte più efficiente nel rilevare gli odori rispetto a un naso dritto simile ad un anfibio in un cranio di dimensioni simili – e a elaborare una teoria della gascromatografia parallela: bobine olfattive parallele che si alimentano dal flusso ad alta velocità per aumentare la lunghezza effettiva del percorso del flusso rallentando la velocità del flusso d’aria locale, potenzialmente per una migliore elaborazione degli odori.
“Sappiamo così tanto sulla vista e sull’udito, ma non tanto sul naso. Questo lavoro potrebbe portare a una maggiore comprensione dei percorsi evolutivi dietro le diverse strutture del naso e lo scopo funzionale che servono”, ha detto Zhao.
Zhenxing Wu, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Zhao, è il primo autore dello studio. Altri coautori includono Jianbo Jiang e Fritz Lischka del Monell Chemical Senses Center di Filadelfia; Scott McGrane del Waltham Petcare Science Institute nel Regno Unito; e Yael Porat-Mesenco dell’Università della Pennsylvania.
Questo lavoro è stato in parte finanziato dal National Institutes of Health e Mars Petcare UK.
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