Come gli uccelli canori riescono a leggere le linee del campo magnetico terrestre
Ogni anno, piccoli uccelli canori migratori che pesano meno di 50 grammi volano da soli per migliaia di chilometri di notte, orientandosi con una precisione al centimetro verso i loro quartieri di svernamento. Orientandosi con le stelle, i punti di riferimento e gli odori, sono anche in grado di percepire la direzione del debole campo magnetico terrestre. Nonostante oltre 50 anni di ricerca, il meccanismo biofisico alla base di questa straordinaria percezione magnetica rimane ancora oscuro. Il progetto QuantumBirds(si apre in una nuova finestra), finanziato dal CER, rivela che la risposta sembra risalire alla fisica quantistica. Unendo meccanica quantistica, chimica degli spin, biologia comportamentale e biochimica, i ricercatori hanno testato un’ipotesi radicale: che questi uccelli «vedano» il campo magnetico terrestre attraverso intermedi chimici transitori indotti dalla luce, chiamati coppie radicaliche, situati nelle proteine criptocrome delle loro retine.
Orientamento degli uccelli attraverso la meccanica quantistica
«A prima vista, l’idea che una reazione chimica possa fungere da bussola sembra assurda», osserva Peter Hore, co-ricercatore principale dello studio. Le singole molecole sono così debolmente magnetiche che la loro interazione con il campo magnetico terrestre è un milione di volte più debole di quella di un normale legame chimico. Tuttavia, questa argomentazione termodinamica trascura la singolare meccanica quantistica delle coppie radicaliche di breve durata. «Quando la luce colpisce queste proteine, le coppie radicaliche generate si trovano in uno stato di sovrapposizione quantistica, soggette a oscillazioni coerenti note come battimenti quantistici. Dato questo delicato stato quantistico, la resa della reazione chimica è altamente sensibile alla direzione di un campo magnetico esterno. «In questo modo, i dati di navigazione vengono efficacemente codificati direttamente nel sistema visivo dell’uccello», spiega Hore.
Cos’è il criptocromo-4a negli occhi degli uccelli?
Per verificarlo, QuantumBirds si è posto tre quesiti. In primo luogo, le proteine degli uccelli possono effettivamente fungere da recettori magnetici? Il team ha verificato che è così, dimostrando che il criptocromo-4a(si apre in una nuova finestra) del pettirosso europeo è sensibile ai campi magnetici deboli: la prima evidenza diretta di una molecola visiva dotata di queste precise proprietà. Per stabilirlo, hanno costruito spettrometri altamente sensibili e una struttura ad alta produttività che ha purificato oltre 40 varianti proteiche di diverse specie. Il team ha quindi proseguito la ricerca per verificare se i neuroni retinici codifichino effettivamente queste informazioni magnetiche derivate dal criptocromo. Adattando alcune tecniche di neuroscienze tipicamente utilizzate sui roditori, il team ha sviluppato il primo strumento al mondo di immaginografia bi-fotonica del calcio non magnetico per la registrazione di segnali magnetici nelle cellule nervose retiniche degli uccelli. Sorprendentemente, hanno scoperto che la retina interna funziona in condizioni di carenza costante di ossigeno. Ciò spiega decenni di difficoltà negli esperimenti precedenti e apre la strada alla visualizzazione di cellule sensibili al campo magnetico. In definitiva, QuantumBirds ha cercato di comprendere se il criptocromo sia la molecola principale che funge da bussola. «Siamo sul punto di ottenere una risposta definitiva grazie a un sofisticato scambio isotopico. Dalle simulazioni al computer è emerso che la sostituzione del carbonio-12 naturale con isotopi di carbonio-13 nelle molecole di flavina dell’occhio modificherebbe il modo in cui gli uccelli reagiscono ai campi a radiofrequenza disturbanti», illustra Henrik Mouritsen, co-ricercatore principale dello studio. «Dopo aver creato un sistema per introdurre queste flavine marcate con carbonio-13 negli uccelli vivi, sono stati avviati dei test comportamentali per verificare eventuali variazioni nel loro orientamento. Un risultato positivo fornirà una prova inconfutabile di questa bussola quantistica», ha aggiunto.
Tecnologie del futuro ispirate alla percezione magnetica degli uccelli
Comprendere i meccanismi di navigazione degli uccelli potrebbe consentire agli ambientalisti di «ingannare» le specie migratorie in via di estinzione, inducendole ad accettare habitat resilienti ai cambiamenti climatici come nuove dimore, superando il loro istinto naturale di tornare nei siti degradati. È sorprendente constatare che questa stessa bussola aviaria sta fornendo un modello per lo sviluppo di tecnologie. Poiché gli stessi principi della fisica quantistica si ritrovano nei LED organici, gli scienziati potrebbero replicarli per costruire sensori magnetici economici e non tossici. Ricerche parallele sul criptocromo degli uccelli potrebbero consentire la creazione di sistemi di navigazione alternativi per ambienti in cui il GPS è bloccato o compromesso.
