La Magnetorecezione Gli uccelli hanno un'impressionante potenzialità sensoriale: sono capaci di udire suoni a bassissime frequenze (sino ad 1 Hz), di vedere sia la luce ultravioletta che quella polarizzata ed i piccioni valutano l'altezza, con un'approssimazione di 10 m, misurando la pressione atmosferica. L'impressionante capacità migratoria degli uccalli ha attirato l'attenzione da molto tempo: Utilizzano la posizione del sole e delle stelle per orientarsi e si è visto che la capacità di orientarsi utilizzando il sole dipende dall'ora biologica. Gli uccelli migratori hanno poi la capacità di valutare il campo magnetico terrestre (CMT), in un modo ben più complesso di quanto noi facciamo con la bussola. Il campo magnetico terrestre Il campo magnetico terrestre (CMT) può essere considerato inizialmente come un dipolo situato nel centro della terra, le cui linee magnetiche passano nelle vicinanze dei poli (Fig. 1, A e B). Fig. 1. Due rappresentazioni del campo magnetico terrestre. Ng e Sg sono il Nord ed il Sud geografico. Nm e Sm sono il Nord ed il Sud magnetico. Il vettore CMT ha una intensità (è più intenso ai poli; Fig. 1 e 2A), ed una direzione: se oriento la bussola sul Nord geografico, l'ago si sposterà di x gradi, puntando verso il polo nord magnetico (è questa la declinazione, Figg. 2B e 3). L'ago è poi soggetto ad una forza verso il basso nell'emisfero boreale (la forza è perpendicolare alla superficie terrestre al polo sud magnetico) e verso l'alto nell'emisfero australe (la forza è perpendicolare alla superficie terrestre al polo nord magnetico), e non è soggetto a forze perpendicolari alla superficie terrestre all'equatore (Figg. 2C e 4). Questi 3 valori (intensità, declinazione, inclinazione) possono essere misurati in ogni punto della terra. A B C Fig.2. Intensità del CMT (A), declinazione (B) ed inclinazine(C) della bussola magnetica Fig. 3 Declinazione del CMT negli Stati Uniti. Fig. 4. Inclinazione del CMT. E' disegnato anche l'equatore magnetico, dove le linee del campo sono parallele alla superficie terrestre. Il CMT è però tutt'altro che uniforme. Le più vaste anomalie le troviamo a Kursk (Russia), 450 Km a sud di Mosca, dove l'ntensità è 4 volte quella attesa e la declinazione varia tra 60° e -110, rispetto a1 10° attesi. Un altro caso è nella costa sud della Finlandia, dove le variazioni nell'intensità e nella declinazione hanno causato numerosi naufragi. Vi sono poi innumerevoli variazioni su piccola scala, ed ogni luogo ha le sue impronte digitali magnetiche, a volte notevolmente diverse da quelle di un luogo posto in vicinanza. Noi non possiamo apprezzarle, ma molti animali sì. In uno stesso luogo il CMT può variare in relazione alla rotazione della terra intorno al sole e della luna intorno alla terra. Anche se molto deboli, sono presenti regolari variazioni del CMT su scala giornaliera, mensile ed annuale, fornendo informazioni temporali. Infine ci sono inaspettate variazioni, legate all'attività solare. Molti esseri viventi possono valutare e rispondere ai parametri del CMT e la presenza di tale abilità è più una regola che un'eccezione. La bussola solare La bussola solare si basa su informazioni che derivano sia dall’osservazione della posizione del sole sia dall’orologio interno dell’animale. Supponiamo che la direzione di volo sia indicato dalla posizione del sole alle ore 11. Se sono le ore 11 l'uccello si muoverà in direzione del sole; se sono le 9, l'uccello utilizzerà ancora la posizione del sole, modificando però la direzione del volo poichè "sa", avendo un ritmo endogeno sincronizzato con il ciclo solare luce/buio, che non sono le 11 ma le 9. Se il ritmo endogeno viene sfasato rispetto alle condizioni naturali (esperimenti di clock-shifting), si può alterare la lettura delle informazioni solari da parte degli uccelli, i quali mostrano prevedibili deviazioni calcolabili dell'orientamento. La bussola magnetica Il pettirosso europeo, in cattività, tende a migrare a Nord in primavera anche se non ha la possibilità di avere informazioni visive: questo suggerisce che utilizzi il CMT (Fig. 5, A). Se il CMT veniva ruotato di 120° a est, i pettirossi puntavano all'incirca verso sud-est, suggerendo che la direzione fosse determinata dalla direzione del campo magnetico (Fig. 5, B). Se però la direzione del campo magnetico era quella naturale (che punta al nord geografico) , ma l'inclinazione era invertita, puntando verso l'alto e non verso il basso, gli uccelli si dirigevano verso il sud magnetico (Fig. 5, C). I pettirossi usano quindi l'inclinazione, che nell'emisfero nord punta tanto più verso il basso quanto più si è vicini al polo nord magnetico. Gli uccelli , le salamandre e le tarturughe usano l'inclinazione, mentre i ratti, gli insetti ed i crostacei utilizzano la declinazione, come il tradizionale uso della bussola. Di fatto, la declinazione ci da la longitudine (est-ovest) ed il vettore magnetico ci dice in quale direzione è il Nord geografico. La inclinazione (verso e/o intensità) ci dà informazioni sulla latitudine (nordsud) ed ogni località terrestre sarà caratterizzata da declinazione, inclinazione ed intensità. Campo magnetico terrestre Campo magnetico terrestre ruotato di 120 ° Campo magnetico terrestre con la sola inclinazione invertita Fig. 5. Direzione di migrazione dei pettirossi in funzione del CMT. Poichè il CMT è caratterizzato da tre parametri (intensità, declinazione ed inclinazione) è ipotizzabile che ci siano specifici recettori per i tre distinti parametri. I pesci dotati di elettrorecettori (come l'ampola del Lorenzini) possono valutare il CMT, che può indurre delle correnti elettriche percepite dagli elettrorecettori. I pescecani hanno una sensibilità fino a 5nV al cm, per cui possono percepire anche le debolissime correnti indotte dal movimento nel CMT, anche se non è dimostrato che questo meccanismo sia utile per guidare la direzione dei movimenti. Vi sono altri due meccanismi associati alla magnetorecezione: un meccanismo che utilizza la presenza di microscopiche particelle di materiale magnetizzato e la "bussola magneto-chimica", nella quale il CMT influenza l'andamento di una reazione chimica dei fotopigmenti. Bussola magnetica utilizzante particelle magnetiche. Particelle di magnetite (Fe3O4) di piccole dimensioni (< 1 mm) posseggono proprietà magnetiche permanenti e si comportano come piccoli magneti. Particelle più piccole sono superparamagnetiche: il loro momento magnetico (l'asse del dipolo) oscilla per l'agitazione termica ma tende ad allinearsi ad un campo magnetico esterno. Tali magneti o superparamagneti possono dare informazioni sull'intensità, declinazione ed inclinazione del CMT. Fleissner propose originariamente che il becco degli uccelli potesse avere terminazioni sensitive del nervo oftalmico conteneti microparticelle magnetiche in grado di interagire con il CMT (Fig. 6). Tali strutture presentano una vescicola centrale non magnetica e delle piasrine disposte lateralmente contenente materiale magnatico. Altri autori proposero successivamente che le strutture magnatiche fossero presenti nei macrofagi residenti nel becco degli uccelli. Fig. 6. A, decorso del nervo trigemino e del suo ramo oftalmico nel becco di un piccione. B, posizionamento dei sensori di materiale magnetico sulla superficie inferiore del becco superiore di un piccione. C, ultrastruttura del sensore magnetico. A B C Le strutture magnetiche interagirebbero meccanicamente con canali ionici presenti sulle terminazioni del nervo oftalmico, direttamente con il canale o con la membrana plasmatica adiacente al canale (Fig. 7). L'apertura dei canali ionici modulerebbe la scarica dei potenziali d'azione afferenti. Fig 7. Due modelli di come il materiale magnetico potrebbe aprire i canali ionici delle terminazioni del nervo oftalmico. A sinistra, il materiale magnetico è connesso tramite una struttura elastica (spring) con quella parte del canale che ne controlla lo stato di apertura (gate). L'interazione tra CMT ed il materiale magnetico ne causerebbe uno spostamento, causando o meno l'apertura dei canali ionici. A destra il modello è analogo ma il materiale magnetico è in contatto con la membrana plasmatica. L'interazione tra CMT ed il materiale magnetico ne causerebbe la deformazione, causando o meno l'apertura dei canali ionici. La bussola magneto-chimica: il modella della coppia di radicali Il modello del “radical pair”, inizialmente proposto nel 1986, ipotizza che la magnetorecezione avverrebbe nei fotorecettori retinici e coinvolgerebbe reazioni chimiche influenzate dal campo geomagnetico. In figura 8 è schematizzato il processo ipotetico di funzionamento del magnetorecettore. Il meccanismo recettivo inizierebbe con l’assorbimento di un fotone da parte di fotopigmenti specializzati. Le molecole passerebbero ad uno stato eccitato e la molecola donatrice D può trasferire un elettrone ad una molecola ricevente A. Ciascuna molecola rimarrebbe con un elettrone spaiato, costituendo una coppia di radicali (radical pair) con spin opposti (stato di singoletto) o paralleli (stato di tripletto). Questi due stati sono interconvertibili e chimicamente diversi e l’equilibrio tra i due stati può essere spostato dal campo magnetico poichè lo stato di tripletto dipenderebbe dall’allineamento delle macromolecole nel campo magnetico fornendo informazioni sulle direzioni magnetiche. E’ stato suggerito che le molecole coinvolte in questo processo siano i criptocromi, gruppo di proteine fotosensibili coinvolte nei sistemi circadiani delle piante, trovate anche nella retina e nella ghiandola pineale di alcuni animali. Spin opposti Spin paralleli Figura 8. Ipotetiche reazioni implicate nel modello radical pair: D: molecola donatrice; A: molecola ricevente; S: stato di singoletto; T: stato di tripletto. E’ stato ipotizzato che i fotorecettori nella retina potrebbero mostrare un aumento o una diminuzione della risposta alla luce sulla base del loro allineamento con il campo magnetico. Questa condizione permetterebbe agli uccelli di “vedere” le linee di campo magnetico. Attualmente solo alcune evidenze indicano un legame tra la magnetorecezione e il sistema visivo. Negli uccelli il comportamento di orientamento magnetico cambia quando l’animale è esposto a specifiche lunghezze d’onda; in particolare si è notato che i pettirossi stimolati con luce monocromatica si orientavano con lunghezza d’onda nel blu , nel turchese e nel verde, mentre con il giallo ed il rosso erano disorientati (Fig. 9). Fig. 9. In alto ( A) sono mostrate le lunghezze d'onda utilizzate per stimolare i pettirossi. In basso(B) si evidenzia come i colori blu, turchese e verde consentivano un orientamento normale, mentre con il giallo ed il rosso gli animali erano disorientati.
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