Magnetoricezione

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La magnetoricezione o magnetocezione è la facoltà di vari animali di fare uso del campo geomagnetico per orientarsi durante le migrazioni o gli spostamenti in genere. Si conoscono principalmente due meccanismi di magnetoricezione. Uno dei due meccanismi si basa sulla presenza di un minerale magnetico ricco di ferro, la magnetite[1][2], 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 nell'uccello migratore pettirosso (Erithacus rubecula)[3][4].

Pettirosso europeo

La magnetite[modifica | modifica wikitesto]

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[5]. Si supponeva quindi che i cristalli potevano 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[6]. 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[7]. Tuttavia, questa ipotesi è stata ridimensionata dimostrando che le cellule contenenti magnetite nel becco degli uccelli migratori erano macrofagi e non neuroni magnetosensitivi[8].

I criptocromi[modifica | modifica wikitesto]

Generalità[modifica | modifica wikitesto]

La magnetoricezione mediante coppia di radicali era già stata ipotizzata nel 1978 da Schulten[9]. 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[10]. 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[11]. Il nome deriva dalle Criptogamae, che sono piante come i felci, muschi e licheni nelle quali sono stati scoperti i criptocromi[12]. Anche le piante contengono quindi criptocromi[13], infatti in Arabidopsis thaliana i criptocromi facilitano la crescita quando la luce blu è limitante[14]. 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[15] sia quella di regolatore del ritmo circadiano[16]. Nei mammiferi quali il topo e l'uomo i criptocromi hanno un ruolo unicamente nella regolazione del ritmo circadiano[17].

Meccanismo[modifica | modifica wikitesto]

Rappresentazione schematica del campo geomagnetico (grigio) rispetto all'asse terrestre (blu). Vengono mostrate linee di campo magnetico specchiate. Al polo sud le linee sono generate con un'inclinazione iniziale di +90° rispetto alla superficie terrestre. L'inclinazione diminuisce fino a diventare parallela alla superficie della Terra nel punto dell'equatore magnetico, per poi arrivare a -90°, dove le linee si ricongiungono al polo nord magnetico. Gli uccelli migratori sentono sia l'intensità sia l'inclinazione che permette loro di determinare la latitudine e la longitudine. Da Wikibooks Sistemi sensoriali/Uccelli - Navigazione magnetica

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[11], 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'[11]. Le flavoproteine contengono degli accettori di elettroni come il flavina adenina dinucleotide (FAD) e sono responsabili delle reazioni redox[18]. 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[18]. Si creano così due radicali liberi, che sono molto reattivi[10]. 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[19]. Il prodotto chimico potrebbe essere un neurotrasmettitore ma non è mai stato dimostrato[20]. 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[21] e determinare la latitudine[20][22] e longitudine come è stato dimostrato da studi sulla cannaiola (Acrocephalus scirpaceus)[23].

La magnetoricezione mediante coppia di radicali è considerato un fenomeno quantistico e fa quindi parte della biologia quantistica[24][25][26][27].

Da notare[modifica | modifica wikitesto]

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[18][28].

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.[29] 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.[30]

Inoltre gli esseri umani presentano un criptocromo (cry2) nella retina che è sensibile al magnetismo quando viene esposto alla luce.[31] 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.[31][32]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Ilia A. Solov'yov e Walter Greiner, Theoretical Analysis of an Iron Mineral-Based Magnetoreceptor Model in Birds, in Biophysical Journal, vol. 93, n. 5, 1º settembre 2007, pp. 1493–1509, DOI:10.1529/biophysj.107.105098. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  2. ^ Gerald Falkenberg, Gerta Fleissner e Kirsten Schuchardt, Avian Magnetoreception: Elaborate Iron Mineral Containing Dendrites in the Upper Beak Seem to Be a Common Feature of Birds, in PLoS ONE, vol. 5, n. 2, 16 febbraio 2010, pp. e9231, DOI:10.1371/journal.pone.0009231. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  3. ^ Wolfgang Wiltschko e Roswitha Wiltschko, Light-dependent magnetoreception in birds: the behaviour of European robins, Erithacus rubecula, under monochromatic light of various wavelengths and intensities, in Journal of Experimental Biology, vol. 204, n. 19, 1º ottobre 2001, pp. 3295–3302, DOI:10.1242/jeb.204.19.3295. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  4. ^ Anja Günther, Angelika Einwich e Emil Sjulstok, Double-Cone Localization and Seasonal Expression Pattern Suggest a Role in Magnetoreception for European Robin Cryptochrome 4, in Current biology: CB, vol. 28, n. 2, 22 gennaio 2018, pp. 211–223.e4, DOI:10.1016/j.cub.2017.12.003. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  5. ^ (EN) Joseph L. Kirschvink, Homing in on vertebrates, in Nature, vol. 390, n. 6658, 1997-11, pp. 339–340, DOI:10.1038/36986. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  6. ^ Hervé Cadiou e Peter A. McNaughton, Avian magnetite-based magnetoreception: a physiologist's perspective, in Journal of The Royal Society Interface, vol. 7, suppl_2, 6 aprile 2010, pp. S193–S205, DOI:10.1098/rsif.2009.0423.focus. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  7. ^ R. Wiltschko e W. Wiltschko, The magnetite-based receptors in the beak of birds and their role in avian navigation, in Journal of Comparative Physiology. A, Neuroethology, Sensory, Neural, and Behavioral Physiology, vol. 199, n. 2, 2013, pp. 89–98, DOI:10.1007/s00359-012-0769-3. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  8. ^ (EN) Christoph Daniel Treiber, Marion Claudia Salzer e Johannes Riegler, Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons, in Nature, vol. 484, n. 7394, 2012-04, pp. 367–370, DOI:10.1038/nature11046. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  9. ^ Klaus Schulten, Charles E. Swenberg e Albert Weiler, A Biomagnetic Sensory Mechanism Based on Magnetic Field Modulated Coherent Electron Spin Motion, in Zeitschrift fur Physikalische Chemie, vol. 111, n. 1, 1º gennaio 1978, pp. 1–5, DOI:10.1524/zpch.1978.111.1.001. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  10. ^ a b (EN) Hamish G. Hiscock, Susannah Worster e Daniel R. Kattnig, The quantum needle of the avian magnetic compass, in Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 113, n. 17, 26 aprile 2016, pp. 4634–4639, DOI:10.1073/pnas.1600341113. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  11. ^ a b c Anja Günther, Angelika Einwich e Emil Sjulstok, Double-Cone Localization and Seasonal Expression Pattern Suggest a Role in Magnetoreception for European Robin Cryptochrome 4, in Current Biology, vol. 28, n. 2, 22 gennaio 2018, pp. 211–223.e4, DOI:10.1016/j.cub.2017.12.003. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  12. ^ (EN) J. Gressel, Blue Light Photoreception, in Photochemistry and Photobiology, vol. 30, n. 6, 1979, pp. 749–754, DOI:10.1111/j.1751-1097.1979.tb07209.x. URL consultato il 15 gennaio 2022.
  13. ^ Ilia A. Solov'yov, Danielle E. Chandler e Klaus Schulten, Magnetic field effects in Arabidopsis thaliana cryptochrome-1, in Biophysical Journal, vol. 92, n. 8, 15 aprile 2007, pp. 2711–2726, DOI:10.1529/biophysj.106.097139. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  14. ^ Ullas V. Pedmale, Shao-shan Carol Huang e Mark Zander, Cryptochromes interact directly with PIFs to control plant growth in limiting blue light, in Cell, vol. 164, n. 0, 14 gennaio 2016, pp. 233–245, DOI:10.1016/j.cell.2015.12.018. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  15. ^ Robert J. Gegear, Amy Casselman e Scott Waddell, CRYPTOCHROME mediates light-dependent magnetosensitivity in Drosophila, in Nature, vol. 454, n. 7207, 21 agosto 2008, pp. 1014–1018, DOI:10.1038/nature07183. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  16. ^ André Klarsfeld, Sébastien Malpel e Christine Michard-Vanhée, Novel Features of Cryptochrome-Mediated Photoreception in the Brain Circadian Clock of Drosophila, in The Journal of Neuroscience, vol. 24, n. 6, 11 febbraio 2004, pp. 1468–1477, DOI:10.1523/JNEUROSCI.3661-03.2004. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  17. ^ Yasuhide Miyamoto e Aziz Sancar, Vitamin B2-based blue-light photoreceptors in the retinohypothalamic tract as the photoactive pigments for setting the circadian clock in mammals, in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 95, n. 11, 26 maggio 1998, pp. 6097–6102. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  18. ^ a b c Roswitha Wiltschko, Margaret Ahmad e Christine Nießner, Light-dependent magnetoreception in birds: the crucial step occurs in the dark, in Journal of the Royal Society Interface, vol. 13, n. 118, 2016-5, pp. 20151010, DOI:10.1098/rsif.2015.1010. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  19. ^ (EN) Betony Adams, Ilya Sinayskiy e Francesco Petruccione, An open quantum system approach to the radical pair mechanism, in Scientific Reports, vol. 8, n. 1, 24 ottobre 2018, pp. 15719, DOI:10.1038/s41598-018-34007-4. URL consultato il 12 gennaio 2022.
  20. ^ a b Roswitha Wiltschko e Wolfgang Wiltschko, Magnetoreception in birds, in Journal of The Royal Society Interface, vol. 16, n. 158, 27 settembre 2019, pp. 20190295, DOI:10.1098/rsif.2019.0295. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  21. ^ Henrik Mouritsen: Magnetoreception in Birds and Its Use for Long-Distance Migration in Sturkie's Avian Physiology p. 113 - 131, July 2015.
  22. ^ Dominik Heyers, Martina Manns e Harald Luksch, A Visual Pathway Links Brain Structures Active during Magnetic Compass Orientation in Migratory Birds, in PLoS ONE, vol. 2, n. 9, 26 settembre 2007, pp. e937, DOI:10.1371/journal.pone.0000937. URL consultato il 13 gennaio 2022.
  23. ^ (EN) Nikita Chernetsov, Alexander Pakhomov e Dmitry Kobylkov, Migratory Eurasian Reed Warblers Can Use Magnetic Declination to Solve the Longitude Problem, in Current Biology, vol. 27, n. 17, 11 settembre 2017, pp. 2647–2651.e2, DOI:10.1016/j.cub.2017.07.024. URL consultato il 13 gennaio 2022.
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  25. ^ Christopher T. Rodgers e P. J. Hore, Chemical magnetoreception in birds: The radical pair mechanism, in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 106, n. 2, 13 gennaio 2009, pp. 353–360, DOI:10.1073/pnas.0711968106. URL consultato l'11 gennaio 2022.
  26. ^ Jennifer C. Brookes, Quantum effects in biology: golden rule in enzymes, olfaction, photosynthesis and magnetodetection, in Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 473, n. 2201, 31 maggio 2017, pp. 20160822, DOI:10.1098/rspa.2016.0822. URL consultato il 14 gennaio 2022.
  27. ^ (EN) Philip Ball, Physics of life: The dawn of quantum biology, in Nature, vol. 474, n. 7351, 1º giugno 2011, pp. 272–274, DOI:10.1038/474272a. URL consultato il 14 gennaio 2022.
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  32. ^ Connie Wang, Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from alpha-Band Activity in the Human Brain, in eNeuro, 18 marzo 2019, DOI:10.1523/ENEURO.0483-18.2019.

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