Gli esseri umani percepiscono il mondo che li circonda con cinque sensi: vista, udito, gusto, olfatto e tatto. Molti altri animali sono anche in grado di percepire il campo magnetico terrestre e da decenni gli scienziati studiano come uccelli, tartarughe marine, pesci e insetti lo percepiscono e lo usano per orientarsi. Da tempo, una collaborazione di biologi, chimici e fisici tedeschi dell’università di Oxford e tedeschi della Carl-von-Ossietzky Universität Oldenburg sta accumulando prove che il senso magnetico negli uccelli migratori notturni, come il pettirosso (Erithacus rubecula), si basa su una specifica proteina sensibile alla luce presente nell’occhio. Il nuovo studio “Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird” pubblicato su Nature da un team di ricercatori anche di altre università e istituzioni scientifiche tedesche, cinesi e statunitensi, dimostra che «La proteina criptocromo 4, che si trova nelle retine degli uccelli, è sensibile ai campi magnetici e potrebbe essere il sensore magnetico a lungo cercato».
Il gruppo di ricerca di Henrik Mouritsen di Oldenburg è riuscito a estrarre il codice genetico per il criptocromo 4 nei pettirossi europei migratori notturni e quindi ha prodotto la proteina in grandi quantità utilizzando colture di cellule batteriche. I gruppi di Christiane Timmel e Stuart Mackenzie del dipartimento di chimica di Oxford hanno quindi utilizzato nuove tecniche di risonanza magnetica e ottiche per studiare questa proteina e hanno dimostrato la sua spiccata sensibilità ai campi magnetici. Misurazioni che hanno richiesto lo sviluppo di nuovi strumenti da parte di diverse generazioni di talentuosi ricercatori post-dottorato e studenti laureati.
Il team ha anche fatto luce sul meccanismo con il quale si origina questa sensibilità che, spiegano i ricercatori è «Basata sulle reazioni di trasferimento di elettroni innescate dall’assorbimento della luce blu. Le proteine come il criptocromo sono costituite da catene di amminoacidi: il criptocromo 4 del pettirosso ne ha 527». Peter Hore di Oxford e il fisico di Oldenburg Ilia Solov’yov hanno eseguito calcoli di meccanica quantistica supportando l’idea che «4 dei 527 – noti come triptofani – siano essenziali per le proprietà magnetiche della molecola». Secondo i loro calcoli «Gli elettroni saltano da un triptofano all’altro generando le cosiddette coppie radicali che sono magneticamente sensibili».
Per testare questa intuizione sperimentalmente, il team di Oldenburg ha prodotto versioni leggermente modificate del criptocromo di pettirosso, nelle quali ciascuno dei triptofani è stato sostituito da un diverso amminoacido per bloccare il movimento degli elettroni. Utilizzando le proteine modificate, i team di Oxford sono stati in grado di chiarire il ruolo di diverse coppie di radicali negli effetti osservati del campo magnetico.
Hore ha detto a BBC News: «Pensiamo di aver identificato la molecola che consente ai piccoli uccelli canori migratori di rilevare la direzione del campo magnetico terrestre, cosa che senza dubbio possono fare, e utilizzare tali informazioni per aiutarli a navigare quando migrano per migliaia di chilometri».
Mouritsen ha sottolineato: «Riteniamo che questi risultati siano molto importanti perché mostrano, per la prima volta, che una molecola dell’apparato visivo di un uccello migratore è sensibile ai campi magnetici».
Ma il team aggiunge che «Questa non è la prova definitiva che il criptocromo 4 è il sensore magnetico».
In tutti gli esperimenti, i ricercatori hanno esaminato proteine isolate in laboratorio e applicato campi magnetici più forti del campo magnetico terrestre e Mouritsen fa notare che «Pertanto deve ancora essere dimostrato che questo sta avvenendo negli occhi degli uccelli. Tali studi non sono ancora tecnicamente possibili».
Hore conferma che il meccanismo che stanno studiando «Coinvolge reazioni chimiche sensibili al magnetismo avviate dalla luce all’interno degli occhi degli uccelli, nelle loro retine, per essere precisi. Sembra possibile – e al momento non direi più di così – che queste reazioni chimiche altamente specializzate possano fornire all’uccello informazioni sulla direzione del campo magnetico terrestre e costituire in tal modo una bussola magnetica».
Quello che è evidente è che la molecola è più magneticamente sensibile nei pettirossi che negli uccelli come i polli, che non migrano e gli autori dello studio pensano che «Le proteine coinvolte potrebbero essere significativamente più sensibili nel loro ambiente originario. Nelle cellule della retina, le proteine sono probabilmente fissate e allineate, aumentando la loro sensibilità alla direzione del campo magnetico. Inoltre, è probabile che siano anche associate ad altre proteine che potrebbero amplificare i segnali sensoriali». La ricerca di questi, ancora sconosciuti, partner di interazione è iniziata.
Hore conclude: «Se riusciamo a dimostrare che il criptocromo 4 è il sensore magnetico, avremo dimostrato un meccanismo fondamentalmente quantistico che rende gli animali sensibili agli stimoli ambientali un milione di volte più deboli di quanto si ritenesse possibile».
