Magnetorecezione, Criptocromi e Orientamento degli Animali

Magnetorecezione, Criptocromi e Orientamento degli Animali

Il segreto dietro la magnetorecezione, ossia l’abilità di alcuni animali di “sentire” il campo magnetico terrestre, sta iniziando a prendere una forma nella mente degli scienziati grazie a nuovi studi che dimostrano la sensibilità magnetica in proteine completamente artificiali.

Se mai ti sei chiesto come i piccioni comuni ed altre specie di avifauna si muovano nel mondo senza un GPS, o come le tartarughe marine gravide riescano a trovare alcune spiagge per deporre le uova, la risposta si trova nel termine “magnetorecezione”.

Alcuni animali si servono del campo magnetico del pianeta Terra per aiutarsi a navigare lungo tutte le varie rotte possibili. La genesi di questo senso, trovato in uccelli, aragoste, roditori, piante e microorganismi è stato a lungo studiato, ma ora grazie ad alcuni studi da parte degli scienziati della University of Pennsylvania, Temple University e University of Oxford sono emersi dei dati biofisici del processo della magnetorecezione totalmente nuovi.

Esistono tre teorie di base per come la magnetorecezione funziona e sono tutti abbastanza accurati in funzione dell’animale analizzato. La prima prevede l’esistenza di minerali magnetici. I batteri ed il fitoplancton generano cristalli di magnetite biologica che permette loro di sentire il campo magnetico. Probabilmente anche alcuni uccelli possiedono questi micro-cristalli.

La seconda teoria, che prende il nome di induzione elettromagnetica, coinvolge gli animali sensibili alle cariche elettriche, come ad esempio gli animali acquatici che possiedono all’interno delle loro cellule un sistema di tipo neurale che converte la recettività elettrica in sensibilità magnetica. Sappiamo dalla fisica di base che particelle cariche in movimento generano campi magnetici.

La terza teoria coinvolge una reazione biochimica che genera coppie radicaliche, ossia molecole “quantum entangles” con elettroni spaiati. Alcune proteine chiamate criptocromi formano specie radicaliche in seguito ad absorbimento di energia. Queste proteine possono essere la chiave per comprendere l’origine della magnetorecezione negli uccelli, i quali possiedono criptocromi nei propri occhi.

Quando si verifica un trasferimento di un elettrone tra due molecole, il processo ne lascia dietro due spaiati, uno su ciascuna molecola. Il back-transfer di un elettrone alla molecola originale richiede che lo spin quantistico di quell’elettrone sia opposto (uno spin up ed uno spin down) a quello presente nella molecola di partenza. Questi spin cambiano sempre tra gli stati up e down e le loro velocità di inversione possono essere fortemente influenzate dal campo magnetico.

Nei criptocromi, le coppie radicaliche si formano dallo stato di singoletto, il che significa che entrambi gli elettroni spaiati nella coppia radicale possiedono spin opposti. Quando una coppia di radicali entra nello stato di tripletto, in cui entrambi gli elettroni spaiati hanno lo stesso spin (entrambi spin up o entrambi spin down), il trasferimento di elettroni di ritorno non è possibile fino a quando la coppia radicale non ritorna allo stato di singoletto.

Pertanto, il campo magnetico è in grado di influenzare la durata della coppia radicale.

Le coppie radicali nei criptocromi si formano quando si trovano nello stato di singoletto, il che significa che ci sono due elettroni accoppiati allo stesso livello energetico con spin quantici opposti. Nello stato di tripletto, i due elettroni che condividono lo stesso livello energetico hanno lo stesso spin e sono quindi spaiati. Questa diversa struttura della coppia radicalica è considerata un’indicazione della sensibilità magnetica.

Secondo l’autore principale Chris Bialas, una delle scoperte nello studio è la formazione di coppie di radicali dallo stato di tripletto e non da singoletto. “la coppia radicale è meno reattiva nello stato di tripletto”, dice Bialas, “il che significa che ha una minore energia e opera per periodi di tempo più lunghi”.

Gli scienziati erano scettici sul fatto che lo stato di tripletto potesse essere utilizzato per la magnetorecezione, quindi questi risultati aprono la porta a molte proteine che potrebbero svolgere un ruolo in questo processo.

I ricercatori hanno indotto la sensibilità magnetica tramite il meccanismo della coppia radicalica utilizzando una “proteina artificiale”. Nei criptocromi naturali ci vogliono le flavine e tre triptofani, per creare un magnetosensore, ma Bialas ed i suoi colleghi hanno creato un sensore simile ad un criptocromo con una flavina ed un singolo triptofano, dimostrando la capacità di “fare di più con di meno”. La loro proteina artificiale funziona anche a temperatura ambiente, mentre la maggior parte degli altri esperimenti simili sono condotti a temperature criogeniche.

Margaret Ahmad, direttore della ricerca nell’Università della Sorbona, osserva che lo studio dimostra la capacità di progettare molecole “per avere meccanismi di reazione divergenti dai loro modelli biologici” e che “l’esperimento produce essenzialmente un composto artificiale minimo che imita la risposta biologica del recettore”.

Poiché le proteine artificiali sono più semplici e più resistenti di quelle naturali, il vero test dovrà essere fatto in criptocromi presenti in natura. Tuttavia, lo studio indica che la sensibilità magnetica può essere creata con una più ampia varietà di proteine di quanto si pensasse in precedenza.

Le domande su come gli animali usano la magnetorecezione hanno lasciato posto ad un nuovo campo della biologia, la biologia quantistica. Secondo Bialas, molti scienziati si stanno ora chiedendo come la meccanica quantistica influenzi la biologia. Gli esseri umani hanno criptocromi che regolano, tra le altre cose, i ritmi circadiani e gli scienziati stanno esplorando se i campi magnetici possano causare malattie tramite i criptocromi.

La magnetorecezione ha anche implicazioni astrobiologiche, specialmente su pianeti con campi magnetici più forti di quelli terrestri. Bialas ritiene che gli organismi extraterrestri potrebbero utilizzare la magnetorecezione per trovare risorse come il ferro o per evitare sostanze velenose come i Sali del cromo (VI).  Gli organismi potrebbero usare il loro senso magnetico per eludere la preda o per cacciare i batteri “ferrici”.  “Apre un intero nuovo mondo di sensazioni, che gli organismi extraterrestri potrebbero usare ogni giorno” dice sempre Bialas.

Autore: Luca Tonietti

Fonti: https://www.astrobio.net/alien-life/how-animals-sense-earths-magnetic-field/

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31187821/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5711731/