Come gli animali utilizzano il campo magnetico terrestre

Molti animali usano il campo magnetico terrestre per orientarsi. Ma esattamente come lo facciano rimane per la maggior parte un mistero. All'Università di Oldenburg, ricercatori di diverse discipline stanno lavorando insieme per risolvere il puzzle.

Uno spettacolo unico attende chiunque visiti l'isola tedesca di Helgoland in primavera o in autunno: in alcuni giorni, in particolare dopo il maltempo, migliaia di uccelli migratori, tra cui piccoli uccelli canori come pettirossi, culbianconeri, puledri e tordi bottaccioni, si fermano a riposare su questo arcipelago roccioso nel mezzo del Mare del Nord. Alcuni trascorrono l'estate in Scandinavia o in Russia. Alcune cultivar settentrionali volano persino attraverso l'Atlantico verso il Canada nei mesi più caldi per riprodursi e allevare i loro piccoli.

In inverno, gli uccelli migrano verso climi più caldi dell'Europa meridionale o dell'Africa. Il professor Henrik Mouritsen, che dirige la Scienza Neurosensoriale Un gruppo di ricerca dell'Università di Oldenburg, evidenzia un aspetto particolarmente sorprendente di questo fenomeno: "La maggior parte degli uccelli canori migra di notte. I giovani uccelli che non hanno mai volato su questa rotta prima migrano da soli, senza i loro genitori o fratelli", spiega. I cultivar settentrionali, graziosi uccellini canori che pesano solo 25 grammi, percorrono distanze fino a 15.000 chilometri all'anno. "I loro sistemi di navigazione sono incredibilmente precisi. Gli uccelli migratori esperti possono ritrovare la strada per tornare alla stessa tana che hanno usato per riprodursi l'anno prima dopo aver viaggiato per migliaia di chilometri", afferma il biologo. La grande domanda per Mouritsen è come fanno esattamente questo, con un cervello che nella maggior parte dei casi pesa meno di un grammo.

Mouritsen è alla ricerca di risposte da molto tempo e la sua ricerca ha dato un contributo significativo alla risoluzione del mistero. Dal 2019 gli sforzi si sono intensificati. Il biologo sta lavorando con un grande internazionale del Collaborative Research Center (CRC), che sta conducendo ricerche approfondite sulle impressionanti capacità di orientamento dei vertebrati. L'attenzione si concentra sugli uccelli migratori come il pettirosso europeo e la capinera, e sulla loro sorprendente capacità di utilizzare il campo magnetico terrestre per l'orientamento.

Ricercatori provenienti da una vasta gamma di discipline, tra cui la neurobiologia, la fisica quantistica, la biochimica, la modellazione al computer e la biologia comportamentale, hanno unito le forze nel CRC per scoprire come funziona questa sensibilità ancora poco conosciuta al campo magnetico del pianeta. Guidato da Mouritsen, il team sta studiando il fenomeno a tutti i livelli: analizzando le rotte migratorie, conducendo esperimenti comportamentali e cercando di determinare come gli stimoli sensoriali vengono elaborati nel cervello degli uccelli e attraverso quali segnali cellulari ci arrivano. La missione dei ricercatori li ha portati fino al livello molecolare, dove stanno studiando la proprietà magnetiche di alcune proteine sia in laboratorio che utilizzando complessi modelli computerizzati.

Un effetto quantistico che potrebbe influenzare le biomolecole

Il team è sulle tracce di un meccanismo affascinante: negli ultimi anni, è stato dimostrato che il sensore magnetico degli uccelli migratori si trova nei loro occhi. Il loro senso magnetico sembra essere basato su un complicato processo fisico quantistico che avviene in alcune cellule retiniche. Mouritsen ammette che, a prima vista, è difficile immaginare che un tale processo possa costituire la base per la bussola magnetica negli uccelli. In effetti, è stato a lungo considerato improbabile che gli effetti estremamente deboli della fisica quantistica potessero influenzare le biomolecole. Tuttavia, insieme a vari colleghi, il biologo ha recentemente presentato diverse scoperte che supportano questa teoria.

La ricerca del sensore magnetico vero e proprio ha già prodotto un concorrente caldo: il criptocromo 4, un La proteina che si trova nelle retine degli uccelli migratori come i pettirossi europei, sembra essere sensibile alle linee di campo del campo magnetico terrestre, innescando così una cascata di segnali chimici che trasmettono lo stimolo al cervello. "I criptocromi sono presenti nelle cellule di molti animali e piante", spiega il biochimico di Oldenburg, il professor Karl-Wilhelm Koch, che dirige un sottoprogetto del CRC. Queste proteine, di cui esistono sei diversi tipi, possono essere sensibili alla luce e, tra le altre cose, garantire il funzionamento dell'orologio interno. Ogni specie animale ha le sue varianti leggermente modificate di queste proteine.

Magnetico per una frazione di secondo

Il criptocromo 4 ha una proprietà molto rara tra le biomolecole: "Quando incontra la luce blu, si formano le cosiddette coppie di radicali", spiega il professor Ilia Solov'yov, capo del gruppo di ricerca di Biologia Quantistica e Fisica Computazionale dell'Università di Oldenburg. I radicali sono molecole con un elettrone spaiato. La luce blu innesca due di questi radicali nel criptocromo per formare uno stato meccanico quantistico coerente. Questo stato dura solo poche frazioni di secondo, ma durante quel momento fugace, la proteina è sensibile all'influenza relativamente debole del campo magnetico terrestre. La sua direzione determina in quale dei due possibili prodotti il criptocromo si converte successivamente: almeno questa era la teoria avanzata dal fisico tedesco Klaus Schulten nel 2000.

Insieme ai colleghi dell'Università di Oxford, un gruppo di ricerca di Oldenburg guidato da Mouritsen è stato recentemente in grado di dimostrare questo complesso processo nella proteina criptocromo 4 degli occhi dei pettirossi europei. I ricercatori hanno presentato i loro risultati nella storia di copertina di un numero di giugno 2021 della rivista Nature . Una prima svolta è arrivata quando Jingjing Xu, uno studente di dottorato del gruppo di ricerca di Mouritsen, è riuscito a produrre grandi quantità di criptocromo 4 in laboratorio per la prima volta utilizzando colture cellulari batteriche. I partner di Oxford sono stati quindi in grado di dimostrare la pronunciata sensibilità della proteina ai campi magnetici utilizzando tecniche ultrasensibili, tra cui misurazioni di risonanza magnetica e metodi innovativi di spettroscopia ottica. "Gli autori ci hanno portato sempre più vicini a risolvere questo mistero della biologia sensoriale", ha commentato su Nature lo zoologo professor Eric Warrant dell'Università svedese di Lund.

Utilizzo dei computer come microscopio

Un importante contributo a questo successo è stato anche i calcoli del modello del fisico Ilia Solov'yov, specializzato nell'uso di computer come un microscopio per ottenere una migliore comprensione delle molecole. "Calcoliamo la posizione e il movimento di tutti gli atomi in una proteina utilizzando le equazioni fondamentali della natura come le equazioni del moto di Newton, le leggi della termodinamica e la fisica quantistica", spiega. Queste operazioni di modellazione richiedono enormi risorse computazionali: per modellare il criptocromo 4 in un ambiente cellulare realistico, Solov'yov deve calcolare il comportamento di circa 100.000 atomi in piccoli incrementi di tempo. Per un solo microsecondo, un milionesimo di secondo, ha bisogno di due settimane di tempo di calcolo su un potente supercomputer.

Ma ne vale la pena: con il suo "microscopio computerizzato", Solov'yov può scoprire cose che rimangono nascoste usando altri metodi, come ad esempio come gli elettroni saltano da un amminoacido all'altro all'interno del criptocromo, o come Le mutevoli condizioni ambientali influenzano il processo. "Il bello delle simulazioni al computer è che abbiamo il controllo completo del sistema", afferma. Nel caso del criptocromo dei pettirossi europei, Solov'yov, insieme ai professori Peter Hore, Christiane Timmel e Stuart Mackenzie di Oxford, è stato in grado di identificare quali elementi costitutivi sono cruciali per le proprietà magnetiche della molecola e di confermarlo utilizzando le proteine prodotte nel gruppo di Mouritsen.

Solov'yov sta attualmente modellando i criptocromi di altri organismi come fringuelli zebra, polli, capinere e pesci al fine di identificare le differenze nelle proprietà magnetiche delle proteine. Inoltre, il fisico mira a misurare la durata della vita delle coppie di radicali in vari criptocromi, una proprietà cruciale per la loro idoneità come sensori magnetici.

Una ricerca di successo nelle librerie genetiche

Mentre i segreti di questa proteina unica vengono gradualmente rivelati, Il biochimico Karl-Wilhelm Koch sta studiando come lo stimolo che fornisce viene trasmesso ulteriormente all'interno delle cellule. "La percezione del campo magnetico deve essere tradotta nel linguaggio del sistema nervoso", spiega. Koch e il suo team hanno deciso di trovare proteine che interagiscono con il criptocromo. "Abbiamo identificato sei potenziali candidati nelle librerie genomiche", afferma. Il team ha presentato i risultati del loro screening genetico sulla rivista Scientific Reports nel 2020.

Koch e il suo team stanno attualmente studiando due di queste proteine in modo più dettagliato. Uno è un pigmento visivo sensibile alla luce rossa, mentre il secondo appartiene a un'importante classe di proteine che trasmettono segnali all'interno delle cellule. "Abbiamo già trovato prove che queste due proteine formano in realtà un complesso con il criptocromo 4 e ora stiamo eseguendo ulteriori misurazioni utilizzando speciali biosensori per comprenderle meglio interazioni", riferisce Koch.

I ricercatori sono ancora perplessi sul significato di questi risultati. Il fatto che il criptocromo interagisca con una molecola di fotorecettore potrebbe significare che uno stimolo magnetico innesca la stessa cascata di segnalazione degli stimoli visivi. L'interazione con la seconda proteina, d'altra parte, potrebbe indicare che il sensore magnetico innesca una propria, ancora sconosciuta, via di segnalazione. "Queste sono domande aperte che miriamo a chiarire", afferma Koch.

Cellule nervose sensibili alla luce come sensori per il campo magnetico terrestre

Una forte indicazione che queste due proteine svolgono effettivamente un ruolo nel rilevamento magnetico è il fatto che sono presenti nelle stesse cellule del criptocromo 4. Il team di ricerca non aveva specificato questo come prerequisito nella ricerca di potenziali partner di interazione. Ma è emerso che tutte e tre le proteine sono prodotte nei doppi coni, un tipo specifico di cellule sensoriali localizzato nella retina. Queste cellule nervose sensibili alla luce sembrano quindi essere il sito del rilevamento magnetico.

"I doppi coni sono cellule fotorecettrici che si trovano nei pesci, nei rettili e negli uccelli", spiega la neurobiologa di Oldenburg, la professoressa Karin Dedek, che guida un sottoprogetto incaricato di decifrare le connessioni nervose all'interno della retina. Queste cellule nervose di forma insolita sono costituite da un membro principale più grande e da un membro accessorio più piccolo e costituiscono circa il 30-40% delle cellule fotorecettrici negli occhi degli uccelli. Il team del CRC ritiene probabile che le molecole di criptocromo non fluttuino liberamente in queste cellule, ma siano in qualche modo legate. Nelle aree periferiche dei fotorecettori ci sono centinaia di membrane cellulari parallele. Gli scienziati sospettano che le proteine siano fissate e allineate in file qui, il che aumenterebbe la loro sensibilità alla direzione del campo magnetico.

Dedek crede che la geometria peculiare dei doppi coni li rende particolarmente adatti a rilevare il campo magnetico: "Ad esempio, se le molecole di criptocromo nelle due subunità sono perpendicolari l'una all'altra, ciò potrebbe aiutare il processo di distinzione tra stimoli visivi e magnetici". Per capire come la retina codifica gli stimoli, Dedek e i suoi colleghi stanno studiando i doppi coni e le loro interconnessioni con altri neuroni. "Vogliamo sapere quali tipi di cellule trasmettono il segnale al cervello", dice. Un altro obiettivo è quello di misurare direttamente la reazione dei doppi coni ai cambiamenti nel campo magnetico e quindi fornire la prova diretta che queste celle rilevano il campo magnetico.

Vari risultati suggeriscono che una regione del cervello chiamata Cluster N è responsabile dell'elaborazione dei segnali magnetici. Si trova vicino alla regione che elabora gli stimoli visivi nel cervello degli uccelli e, come hanno dimostrato gli esperimenti di Mouritsen nel 2005, è altamente Attivo negli uccelli canori migratori notturni in condizioni di luce come stelle di basso livello e luce lunare. In un articolo apparso su Nature nel 2009, il gruppo di ricerca di Mouritsen è stato in grado di dimostrare che il cluster N elabora effettivamente gli stimoli della bussola magnetica, dimostrando che quando questa regione del cervello non funziona, gli uccelli possono ancora usare le loro bussole stellari e solari, ma non possono più navigare usando gli stimoli magnetici.

Quando l'elettrosmog spinge gli uccelli migratori fuori rotta

Non è chiaro come esattamente gli uccelli percepiscano il campo magnetico terrestre. "L'opzione più probabile è che gli uccelli vedano il campo magnetico come un modello visivo", dice Mouritsen. In studi di laboratorio, gli esperimenti hanno ripetutamente dimostrato che il campo geomagnetico aiuta gli uccelli a trovare la strada e che i disturbi possono far perdere loro l'orientamento. Ma cosa succede quando sono in natura è una questione diversa. All'interno del CRC, l'ornitologo Dr. Heiko Schmaljohann sta affrontando questa domanda specifica. "Stiamo cercando di capire se i risultati degli esperimenti di laboratorio sono rilevanti anche per gli uccelli che volano liberi", dice.

Negli ultimi anni, Schmaljohann, che conduce ricerche presso l'università e l'Istituto di ricerca aviaria di Wilhelmshaven, ha testato se l'elettrosmog disturba l'orientamento nei pettirossi europei e nei cultivar settentrionali dopo la loro sosta a Helgoland. Ha iniziato gli esperimenti dopo che un gruppo guidato da Mouritsen ha riportato su Nature che l'interferenza elettromagnetica generata da alcuni dispositivi elettronici interrompe l'orientamento negli uccelli in gabbia, un risultato che si adatta bene alla teoria del meccanismo radicale-coppia. Per Schmaljohann, questi risultati hanno sollevato la questione se l'elettrosmog colpisca anche gli uccelli che volano liberi in natura, come i migratori a lunga distanza, le cui popolazioni sono da tempo in declino per ragioni che rimangono inspiegabili.

Usare il sole per orientarsi

Per mettere alla prova questo aspetto, Schmaljohann e il suo team hanno installato diverse stazioni radio riceventi sull'isola e intorno alla baia tedesca per tracciare la direzione di partenza dei pettirossi e dei cultivar settentrionali quando lasciano Helgoland. I ricercatori hanno quindi collegato trasmettitori radio del peso di 0,3 grammi a circa 140 cultivar settentrionali e 140 pettirossi e hanno esposto gli uccelli a bassi livelli di elettrosmog o a nessun elettrosmog per diverse ore. «Li abbiamo poi rilasciati e abbiamo utilizzato i dati della radiotelemetria per vedere come si comportavano, se l'elettrosmog avrebbe forse prolungato la loro sosta a Helgoland, o se sarebbero stati disorientati quando avrebbero iniziato a volare e si sarebbero diretti nella direzione sbagliata», afferma Schmaljohann. Il team è attualmente in procinto di pubblicare i risultati dell'esperimento, e il ricercatore ha rivelato solo questo: "Sembra che gli uccelli utilizzare diverse fonti di informazione per determinare la direzione migratoria da Helgoland. Possono essere le stelle, ma anche il campo magnetico o i punti di riferimento".

Nel corso degli anni ci sono state molte indicazioni che gli uccelli non si affidano a un'unica fonte di informazioni durante il loro lungo viaggio. Oltre alle stelle e ai punti di riferimento, è probabile che gli uccelli migratori usino sia la traiettoria del sole che il loro senso dell'olfatto per orientarsi. E probabilmente hanno un secondo sensore magnetico, ancora più misterioso, nel becco, che probabilmente consiste in minuscoli cristalli di ferro e consente loro di utilizzare il campo magnetico come una mappa per la navigazione. Questo meccanismo è oggetto di studio in altri sottoprogetti all'interno del Collaborative Research Center.

Insieme ai modellisti computerizzati di Oldenburg, il professor Bernd Blasius e il dottor James McLaren, Schmaljohann sta ora studiando quale delle varie bussole svolge il ruolo chiave su diverse parti del viaggio. «Stiamo mettendo insieme singole informazioni provenienti da numerosi studi in tutto il mondo, come un mosaico, per ottenere una migliore comprensione delle migrazioni globali», afferma Schmaljohann. "Dopotutto, se vogliamo proteggere questi animali nei loro lunghi viaggi, è importante sapere cosa fa sì che alcuni uccelli migratori cambino direzione a metà viaggio e perché reagiscono in modo diverso a determinati stimoli a seconda della loro posizione".

"Gli uccelli devono sicuramente affrontare grandi sfide quando navigano su lunghe distanze", riassume Mouritsen. Le loro incredibili imprese continuano a offrire molte sfide interessanti anche per il team CRC. Il biologo è fiducioso che ci saranno ancora scoperte interessanti: "Abbiamo raggiunto la parte più facile dei nostri obiettivi di ricerca. Ora le cose si faranno ancora più eccitanti".