La magnetoricezione o magnetocezione è la facoltà di vari animali di fare uso del campo geomagnetico per orientarsi durante le migrazioni.
Diversi animali nel corso della loro vita compiono migrazioni periodiche, per brevi o lunghe distanze, con lo scopo di alimentarsi o riprodursi. Le migrazioni in genere sono indotte dai cambiamenti delle condizioni ambientali e dai cambiamenti climatici, e sono motivate dal fatto che spesso il miglior posto per alimentarsi non sempre coincide con il miglior posto per riprodursi. L’interrogativo che ci si pone è come facciano alcune specie di animali marini a compiere trasferimenti di decine di migliaia di km senza perdere l’orientamento. Alcuni animali sono in grado di orientarsi seguendo le linee di forza del campo magnetico terrestre e utilizzando degli strumenti biologici che permettono di sfruttare le linee di forza del campo magnetico terrestre come una vera e propria bussola magnetica per orientarsi nello spazio.
Si conoscono principalmente due meccanismi di magnetoricezione. Uno dei due meccanismi si basa sulla presenza di un minerale magnetico ricco di ferro, la magnetite, mentre il secondo meccanismo detto di coppia di radicali funziona con criptocromi, che sono flavoproteine presenti nella retina dell'occhio di vari animali ed è dipendente dalla luce. È stato studiato soprattutto nel pettirosso europeo (Erithacus rubecula), un uccello migratore. Magnetite In batteri è stata trovata la magnetite talvolta come cristalli di Fe3O4 oppure di greigite Fe3S4. La magnetite, che è un minerale con proprietà magnetiche, è presente anche in molluschi, salmoni e lungo il bordo del becco del piccione. Si supponeva quindi che i cristalli potessero orientarsi e allinearsi secondo il campo geomagnetico, ma non sono mai stati trovati i recettori responsabili della trasformazione dell'orientamento della magnetite in base al campo geomagnetico in un impulso nervoso. Il meccanismo sarebbe analogo a una bussola che si orienta rispetto all'asse Nord-Sud. Se vengono messi in certe condizioni di luce, gli uccelli migratori mostrano risposte di "direzione fissa" al campo magnetico, che ha origine nei recettori nel becco. Questi risultati sottolineano che ci sono magnetorecettori a base di magnetite situati nella parte superiore del becco vicino alla pelle. Tuttavia, questa ipotesi è stata ridimensionata dimostrando che le cellule contenenti magnetite nel becco degli uccelli migratori erano macrofagi e non neuroni magnetosensitivi.
Criptocromi Generalità La magnetoricezione mediante coppia di radicali era già stata ipotizzata nel 1978 da Schulten. Gli autori supponevano che meccanismi già noti propri della fotosintesi potevano essere validi anche per sensori biomagnetici ossia per la magnetoricezione. Gli studi che seguirono confermarono questa ipotesi. La magnetoricezione mediante coppia di radicali dipende dalla luce ed è nell'occhio degli uccelli migratori che sono state trovate delle molecole proteiche, i criptocromi. Queste proteine sono le uniche a formare radicali liberi al momento dell'eccitazione da parte di un fotone. Il nome deriva dalle Criptogamae, che sono piante come i felci, muschi e licheni nelle quali sono stati scoperti i criptocromi. Anche le piante contengono quindi criptocromi, infatti in Arabidopsis thaliana i criptocromi facilitano la crescita quando la luce blu è limitante. Sono in seguito scoperti criptocromi nell'occhio di molte specie animali. In Drosophila melanogaster (il moscerino della frutta) potrebbe avere sia la funzione di magnetoricezione sia quella di regolatore del ritmo circadiano. Nei mammiferi quali il topo e l'uomo i criptocromi hanno un ruolo unicamente nella regolazione del ritmo circadiano.
Meccanismo
La magnetoricezione mediante coppia di radicali è dipendente dalla luce. Infatti il meccanismo si verifica nella retina dell'occhio dei vertebrati. Nella retina, a livello delle cellule fotorecettrici, si trovano inclusi tra le membrane i criptocromi che sono una classe di flavoproteine. Tra questi il criptocromo 4 (CRY4) è particolarmente interessante in quanto è l'unico che si trova nella retina dei vertebrati che navigano con questo tipo di 'bussola'. Le flavoproteine contengono degli accettori di elettroni come il flavina adenina dinucleotide (FAD) e sono responsabili delle reazioni redox. Il FAD è inserito profondamente nel criptocromo che possiede alcuni residui di triptofano (Trp) importanti nel trasferimento degli elettroni. Quando il criptocromo è colpito da un fotone, un elettrone in FAD viene spostato e deviato verso i residui di Trp, che sono le molecole accettori. Si creano così due radicali liberi, che sono molto reattivi. Gli elettroni della coppia di radicali sono entangled e sono quindi correlati allo spin ma spazialmente separati. La coppia di radicali oscilla tra lo stato di singoletto e quello di tripletta e avviene la ricombinazione della coppia per formare un prodotto o segnale chimico. Il prodotto chimico formato dipende dall'essere in uno stato di singoletto o di tripletta, che a sua volta dipende dal campo magnetico. Il prodotto chimico potrebbe essere un neurotrasmettitore ma non è mai stato dimostrato. A questo punto è stata avanzata l'ipotesi che l'uccello possa vedere il campo geomagnetico. Non si tratta quindi di una bussola come nel caso della magnetite, ma di una bussola 'a inclinazione' che permette al pettirosso, o a un'altra specie di uccello, un orientamento rispetto al campo geomagnetico per quanto riguarda la direzione e l'intensità, che varia a seconda della latitudine. Il campo si allarga andando verso l'equatore, ma si restringe andando verso Nord dove si intensifica e permette quindi di vedere o comunque di sentire l'inclinazione e determinare la latitudine e longitudine come è stato dimostrato da studi sulla cannaiola (Acrocephalus scirpaceus).
La magnetoricezione mediante coppia di radicali è considerato un fenomeno quantistico e fa quindi parte della biologia quantistica.
Da notare I pettirossi migrano soprattutto di notte quando i fotoni necessari per la magnetoricezione sono scarsi. È stato dimostrato che le flavoproteine, il criptocromo, contenente il FAD, dopo essere attivati nella fase diurna da fotoni di luce blu, formano radicali liberi insieme al triptofano. Ulteriori fotoni di luce verde e blu riducono il FAD a FADH. In assenza di fotoni, il FADH può tornare a formare una coppia di radicali con una molecola di superossido o altro radicale libero per tornare in seguito allo stato ossidato o FADox.
Per quanto riguarda gli esseri umani ulteriori studi sono necessari affinché si possa affermare che la magnetoricezione sia una capacità che possa contraddistinguerli o meno. L'osso etmoide, di cui una parte partecipa a costituire la porzione superiore della cavità nasale, presenta depositi di materiali magnetici, i quali sono indice o apparenza di una capacità magnetoricettiva.
Inoltre gli esseri umani presentano un criptocromo (cry2) nella retina che è sensibile al magnetismo quando viene esposto alla luce. Uno studio del 2019 mostra come le onde alfa cerebrali interagiscono con i campi magnetici, pertanto un possibile cambiamento del comportamento se esistente come effetto di questa interazione deve essere ancora dimostrato o osservato da questa causa interagente al fine di affermare che tale accadimento è presente nell'universo o meno.
Meccanismi di rilevamento del campo magnetico negli animali La percezione dei campi magnetici è una modalità di percezione dell’ambiente che si è evoluta più volte indipendentemente nel regno animale.
Crostacei
L’aragosta atlantica (Panulirus argus) vive abitualmente nelle barriere coralline dell’Oceano Atlantico e del Mar dei Caraibi. Questo crostaceo compie annualmente migrazioni di massa da acque superficiali ad acque più profonde dell’Oceano Atlantico costituendo delle lunghe file e riesce a tornare nella propria tana senza difficoltà, proprio grazie alla capacità di percepire la struttura del campo magnetico terrestre. La capacità dell’aragosta atlantica di orientarsi in un ambiente così vasto è stata attribuita alla presenza di cristalli di magnetite a singolo dominio nel cefalotorace che funzionano come una bussola, garantendo una rotta migratoria precisa. Per verificare questa possibilità l’animale è stato esposto a campi magnetici artificiali. Quando l’aragosta veniva esposta a un campo magnetico la cui componente orizzontale era invertita modificava il proprio orientamento, mentre l’esposizione a un campo invertito verticale non produceva alcun effetto suggerendo che l’aragosta atlantica è realmente provvista di una bussola magnetica. Sebbene al momento non si conosca bene il meccanismo attraverso il quale l’aragosta atlantica utilizza il campo magnetico per orientarsi, si ritiene che le particelle di magnetite allineate in una precisa direzione possano funzionare come elemento di trasduzione delle forze del campo magnetico per il sistema nervoso.
Tartarughe marine
Le tartarughe marine sono animali migratori, possono compiere migrazioni di diverse migliaia di km attraversando interi oceani per raggiungere siti specifici dove alimentarsi, accoppiarsi o deporre le uova, e per farlo utilizzano diversi strumenti di orientamento: la vista, la chemiorecezione e la magnetoricezione. Più sono vicine alla costa più fanno uso della vista e della chemioricezione (la composizione chimica dell’acqua di mare infatti varia a seconda che ci si trovi in ambienti costieri o in mare aperto), ma quando si trovano in mare aperto, dove vista e chemioricezione perdono di importanza, le tartarughe marine fanno sempre più affidamento alla percezione del campo magnetico terrestre.
Come le tartarughe marine riescano ad utilizzare il campo magnetico terrestre per determinare la posizione nelle varie fasi migratorie è un mistero che ha eluso i biologi per più di un secolo. Nel cervello delle tartarughe marine sono stati identificati cristalli di magnetite supermagnetici. Lungo le rotte migratorie delle tartarughe marine la maggior parte delle posizioni geografiche è caratterizzata da tipiche combinazioni di intensità e inclinazione delle linee di forza del campo magnetico. E questi animali sembrano in grado di rilevare questi parametri che variano in maniera prevedibile su tutto il globo, e identificano le diverse aree geografiche con un unico indizio magnetico.
Quando le tartarughe Caretta caretta, che abitualmente compiono migrazioni circolari comprese tra la Florida, l’Oceano Nord Atlantico e le coste dell’Africa (Giro Atlantico), vengono esposte a campi magnetici corrispondenti a quelli presenti nelle tre diverse regioni oceaniche frequentate durante le migrazioni, rispondono nuotando nelle direzioni che, in ogni caso, aiutano a mantenere le tartarughe all’interno delle correnti del Giro Atlantico, facilitando gli spostamenti lungo la rotta migratoria. Questi risultati implicano che le giovani tartarughe abbiano un sistema guida nel quale i campi magnetici delle diverse aree funzionano come marcatori di navigazione, impedendo che gli animali possano seguire rotte sbagliate e suggerendo che le loro capacità di navigazione si basano almeno in parte su una “mappa magnetica” cerebrale, una sorta di “GPS” biologico nel cervello.