Un occhio chiuso,
un occhio aperto
Un delfino non può permettersi di smettere di nuotare, respirare o vigilare — nemmeno per dormire. La soluzione a cui è arrivata l’evoluzione è tanto semplice quanto radicale: far dormire un emisfero del cervello alla volta, mentre l’altro resta sveglio.
Come dormire senza mai smettere di nuotare
Nel nostro articolo sul sonno della medusa Cassiopea abbiamo raccontato come il sonno possa comparire anche in un organismo privo di qualsiasi cervello centralizzato. I delfini pongono un problema evolutivo quasi opposto: hanno un cervello grande e sofisticato, ma vivono in un ambiente — l’acqua — che a differenza della terraferma non perdona un corpo completamente incosciente. Un delfino addormentato nel senso in cui lo intendiamo noi affonderebbe, smetterebbe di risalire in superficie per respirare (la respirazione dei cetacei è volontaria, non automatica come la nostra), e perderebbe qualsiasi vigilanza nei confronti dei predatori.
La soluzione che i cetacei hanno ereditato dai loro antenati terrestri e adattato alla vita acquatica si chiama sonno uniemisferico (unihemispheric slow-wave sleep, USWS): anziché far addormentare l’intero cervello contemporaneamente, un solo emisfero alla volta entra in un sonno profondo a onde lente, mentre l’altro resta in uno stato elettricamente compatibile con la veglia — sufficiente a continuare a nuotare, risalire in superficie per respirare e mantenere un certo grado di vigilanza sull’ambiente circostante.
Dagli anni ’70 sovietici alle registrazioni EEG di oggi
L’ipotesi che i delfini dormissero in modo asimmetrico nacque da semplici osservazioni comportamentali già negli anni ’60: alcuni ricercatori notarono che i delfini, durante i periodi di riposo, nuotavano lentamente tenendo un solo occhio chiuso alla volta. La prova elettrofisiologica decisiva arrivò solo nei primi anni ’70, quando i ricercatori sovietici Lev Mukhametov e Aleksandr Supin registrarono per la prima volta l’attività elettrica cerebrale di tursiopi che nuotavano liberamente, pubblicando i risultati completi nel 1977 insieme a Irina Polyakova in un lavoro che sarebbe diventato un classico della fisiologia del sonno.
Le registrazioni mostravano, in modo inequivocabile, che un emisfero produceva onde lente e ampie — la firma elettrica tipica del sonno profondo — mentre l’altro emisfero, nello stesso istante, mostrava un’attività di frequenza più alta e ampiezza più bassa, tipica della veglia. L’asimmetria non era fissa: i due emisferi si alternavano nel corso della giornata, ciascuno accumulando in media circa quattro ore di sonno a onde lente al giorno nel tursiope, la specie di gran lunga più studiata su questo fronte. Il fenomeno è stato da allora documentato in ogni specie di cetaceo esaminata, dal tursiope al beluga fino al delfino di fiume amazzonico.
Il sonno uniemisferico, in breve
- Scoperta chiave
- Mukhametov, Supin, Polyakova — registrazioni EEG, 1977
- Meccanismo
- un emisfero in sonno a onde lente, l’altro in stato simil-vigile, alternati nel tempo
- Durata tipica
- circa 4 ore di sonno a onde lente per emisfero al giorno, nel tursiope
- Documentato in
- tutte le specie di cetaceo esaminate finora
- Fase REM
- praticamente assente o non rilevata nei delfini adulti
L’occhio come spia dell’emisfero addormentato
Uno degli aspetti più eleganti del sonno uniemisferico è che, in buona parte, si può osservare dall’esterno senza bisogno di elettrodi. Ogni emisfero del cervello controlla principalmente l’occhio del lato opposto del corpo: quando l’emisfero destro dorme, tende a chiudersi l’occhio sinistro, e viceversa. Studi che hanno incrociato osservazioni dirette e registrazioni EEG in tursiopi e beluga hanno confermato questa associazione con una buona accuratezza — la chiusura di un solo occhio prevede correttamente lo stato di sonno uniemisferico nella maggior parte dei casi osservati, anche se la corrispondenza non è perfetta al 100%.
Questo dettaglio ha una conseguenza pratica interessante: un delfino che dorme può orientare l’occhio “sveglio” verso l’esterno della formazione di gruppo, o verso la superficie, mantenendo così un certo grado di monitoraggio dell’ambiente — predatori, ostacoli, compagni di gruppo — anche mentre una metà del suo cervello sta letteralmente riposando. Uno studio del 2012 su due tursiopi addestrati ha inoltre mostrato che questi animali possono sostenere compiti di rilevamento tramite ecolocalizzazione per giorni consecutivi — fino a 15 giorni in un caso — con perdite di accuratezza minime, un’ulteriore indicazione di quanto efficacemente il sistema a doppio emisfero riesca a garantire una vigilanza pressoché continua.
I primi mesi senza (quasi) dormire affatto
Uno degli studi più sorprendenti su questo tema riguarda non gli adulti, ma le madri e i cuccioli di tursiope nei primi mesi di vita. Monitorando tre coppie madre-cucciolo dalla nascita fino a 13 mesi di età, i ricercatori hanno osservato che, per almeno i primi due mesi dopo il parto, sia le madri sia i cuccioli mostravano una scomparsa quasi completa del riposo in superficie: nuotavano in formazione affiancata (echelon swimming) per il 97-100% del tempo osservato, giorno e notte, senza le pause di riposo tipiche degli adulti non impegnati nell’allevamento della prole.
Durante il primo mese dopo il parto, le madri sono state osservate nuotare con entrambi gli occhi aperti per il 93-98% del tempo — un valore quasi opposto a quello tipico del sonno uniemisferico — mentre nei cuccioli la percentuale di tempo con entrambi gli occhi aperti era comunque elevata, tra il 60 e il 90% a seconda dell’individuo. Anche tenendo conto dei limiti di un campione così piccolo, il dato suggerisce che nei primi, delicatissimi mesi di vita — quando un cucciolo deve restare sempre vicino alla superficie per respirare e resta estremamente vulnerabile ai predatori — il sistema del sonno uniemisferico venga messo quasi completamente in pausa, in favore di una vigilanza pressoché costante.
FAQ — Sonno uniemisferico nei delfini
Come fa un delfino a dormire senza smettere di nuotare?
Attraverso il sonno uniemisferico: un solo emisfero del cervello alla volta entra in sonno profondo a onde lente, mentre l’altro resta in uno stato compatibile con la veglia, sufficiente a continuare a nuotare, risalire per respirare e mantenere una certa vigilanza. I due emisferi si alternano nel corso della giornata.
È vero che i delfini dormono con un occhio aperto?
Sì, ed è collegato al sonno uniemisferico: ogni emisfero controlla principalmente l’occhio del lato opposto del corpo, quindi quando un emisfero dorme tende a chiudersi l’occhio corrispondente, mentre l’altro resta aperto. L’associazione tra occhio chiuso ed emisfero addormentato è stata confermata da studi che incrociano osservazione diretta e registrazioni EEG.
Quanto dormono davvero i delfini?
Nel tursiope, la specie più studiata, ciascun emisfero accumula in media circa quattro ore di sonno a onde lente al giorno, alternandosi con l’altro emisfero. La fase REM, tipica del sonno dei mammiferi terrestri, è praticamente assente o non rilevata negli adulti.
I cuccioli di delfino dormono come gli adulti?
No. Uno studio su tre coppie madre-cucciolo ha mostrato che, per almeno i primi due mesi dopo la nascita, sia le madri sia i cuccioli nuotano quasi ininterrottamente in formazione affiancata, con una scomparsa quasi completa delle pause di riposo tipiche degli adulti — probabilmente per garantire la massima vigilanza durante la fase più vulnerabile della vita del cucciolo.
Il sonno uniemisferico è unico dei delfini?
No, anche se i cetacei ne offrono l’esempio meglio documentato tra i mammiferi. È stato osservato anche in altri cetacei (beluga, delfini di fiume), in alcune foche che dormono in acqua, e — con meccanismi in parte diversi — in molti uccelli, che possono tenere un occhio aperto per sorvegliare l’ambiente durante il riposo.
- Mukhametov, L.M., Supin, A.Y., Polyakova, I.G. (1977) — “Interhemispheric asymmetry of the electroencephalographic sleep patterns in dolphins.” Brain Research, 134(3), 581–584.
- Lyamin, O.I., Manger, P.R., Ridgway, S.H., Mukhametov, L.M., Siegel, J.M. (2008) — “Cetacean sleep: an unusual form of mammalian sleep.” Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 32(8), 1451–1484.
- Lyamin, O.I., Mukhametov, L.M., Siegel, J.M. — “Relationship between sleep and eye state in cetaceans and pinnipeds.” Archives Italiennes de Biologie.
- Lyamin, O.I., Pryaslova, J., Kosenko, P., Siegel, J.M. (2007) — “Behavioral aspects of sleep in bottlenose dolphin mothers and their calves.” Physiology & Behavior, 92(4), 725–733.
- Branstetter, B.K. et al. (2012) — “Dolphins can maintain vigilant behavior through echolocation for 15 days without interruption or cognitive impairment.” PLOS ONE, 7(10), e47478.