Gli uccelli vedono il campo magnetico terrestre?

Una bussola guasta

Per anni, i pettirossi del laboratorio di ornitologia di un'università tedesca non riuscivano a orientarsi. Erano migratori irrequieti, pronti a partire, ma le loro direzioni erano sparse in ogni senso. La causa si rivelò il debole rumore elettrico della città intorno, circa mille volte sotto la soglia considerata sicura per le persone. Quando gli scienziati rivestirono le capanne di legno con alluminio collegato a terra, i pettirossi ritrovarono la strada.

Questa debolezza è uno dei migliori indizi su come funziona la bussola di un uccello, e la risposta potrebbe essere una reazione quantistica dentro il suo occhio.

Volare alla cieca

Solo in Nord America, miliardi di uccelli migrano verso sud ogni autunno. Molti dei più piccoli viaggiano al buio. In uno studio del 2026 che ha seguito 56 specie di uccelli terrestri in quattro continenti, in media l'82% dei voli migratori è avvenuto interamente di notte. Alcuni uccelli percorrono distanze sorprendenti.

Nel 2022, un giovane limicolo, una pittima minore, è volato dall'Alaska alla Tasmania in 11 giorni, circa 13.560 chilometri senza sosta. Molti migratori al primo anno fanno il viaggio senza un adulto da seguire. Possono usare il sole al tramonto, le stelle e i punti di riferimento lungo il percorso. Ma le stelle spariscono dietro le nuvole, e il mare aperto non ha punti di riferimento.

Il campo magnetico terrestre c'è sempre, giorno e notte, con qualsiasi tempo. La domanda è se un uccello riesca a percepirlo e, in tal caso, come.

Un imbuto e un tampone d'inchiostro

Per verificarlo basta uno strumento sorprendentemente semplice. Nel 1966, Stephen Emlen e suo padre John descrissero un imbuto di carta assorbente bianca, posato su un tampone d'inchiostro. Nella stagione migratoria, un migratore in gabbia diventa irrequieto di notte e continua a saltare sulle pareti dell'imbuto. Ogni salto lascia un'impronta d'inchiostro, e al mattino le impronte indicano dove l'uccello voleva andare.

Ricercatori tedeschi avevano già testato pettirossi in stanze chiuse, dove gli uccelli non potevano vedere il cielo. I pettirossi sceglievano comunque la direzione della stagione. E quando il campo magnetico intorno alla gabbia veniva ruotato con bobine elettriche, gli uccelli ruotavano insieme al campo. Quindi il campo contava, ma la bussola del pettirosso si rivelò molto diversa dalla nostra.

Una bussola senza nord

L'ago di una bussola da escursionismo punta al nord magnetico. Nel 1972, Wolfgang e Roswitha Wiltschko dimostrarono che la bussola del pettirosso ignora il nord e il sud magnetici. Le linee del campo terrestre non sono piatte. Vicino all'equatore magnetico corrono quasi parallele al suolo, e vicino ai poli magnetici entrano nel suolo o ne escono con forte inclinazione.

I pettirossi leggevano quell'inclinazione. Quando i ricercatori invertirono solo la componente verticale del campo, gli uccelli invertirono la direzione. Quando invertirono tutto il campo, così che il nord diventava sud ma l'inclinazione restava uguale, gli uccelli mantennero la stessa direzione. Quindi la bussola del pettirosso non indica nord o sud.

Indica verso il polo o verso l'equatore, e basta questo per scegliere una direzione di migrazione. Poi arrivò una seconda sorpresa: la bussola funzionava solo in presenza di luce.

Serve la luce

In uno studio del 1993, alcuni occhialini australiani si orientavano bene con luce blu o verde. Con la luce rossa perdevano l'orientamento. Test successivi mostrarono che funzionava fino alla luce verde, intorno ai 565 nanometri, e falliva dalla luce gialla in poi. Un senso che dipende dal colore della luce rendeva l'occhio il posto ovvio in cui cercare.

Una reazione che sente il campo

Molto prima, nel 1978, il fisico Klaus Schulten aveva proposto come potesse funzionare un senso magnetico. La sua idea era una reazione chimica innescata dalla luce. Quando la luce colpisce certe molecole, un elettrone salta da una parte all'altra e lascia in ciascuna parte un elettrone spaiato, ciò che i chimici chiamano coppia radicalica. Ogni elettrone ha una proprietà chiamata spin, che si comporta come un minuscolo magnete.

Prima che la reazione si concluda, la coppia continua ad alternarsi tra due stati di spin combinati. Il prodotto della reazione dipende da quanto tempo passa in ciascuno stato. E un campo magnetico cambia questi tempi, a seconda di come la molecola è orientata nel campo. Il campo terrestre è debole, tra circa 22 e 67 microtesla, e una calamita da frigorifero è circa cento volte più forte.

Ma nel modello di Schulten, anche un campo così debole poteva far pendere la bilancia. Nel 2000, Schulten, Thorsten Ritz e Salih Adem ipotizzarono che la molecola potesse essere il criptocromo, una proteina sensibile alla luce presente nell'occhio. Se avevano ragione, la reazione doveva avere uno strano punto debole: le onde radio.

Il rumore del campus

Un cristallo magnetico noterebbe a malapena un debole segnale radio. Una coppia radicalica sì, perché le onde radio possono spostare gli spin degli elettroni. Nel 2004, alcuni pettirossi testati a Francoforte furono esposti a un debole campo a radiofrequenza nella gamma dei megahertz, troppo debole per scaldare alcunché. Persero l'orientamento magnetico.

Dieci anni dopo arrivò lo strano risultato di Oldenburg, quello da cui siamo partiti. Il gruppo di Henrik Mouritsen aveva testato pettirossi in capanne di legno nel campus, e per anni gli uccelli non si orientavano. Quando le capanne furono rivestite di alluminio e collegate a terra, il rumore da 50 kilohertz a 5 megahertz calò di circa cento volte, e i pettirossi tornarono a orientarsi. Quando il collegamento a terra veniva tolto, o si reintroduceva rumore dentro lo schermo, si perdevano di nuovo.

I test durarono sette anni, e chi valutava gli uccelli non sapeva se lo schermo fosse collegato a terra. Gli uccelli testati lontano dalla città non avevano bisogno di alcuno schermo. Nel 2023, lo stesso gruppo testò un altro uccello canoro, la capinera, e trovò dove l'effetto si ferma: da qualche parte tra circa 80 e 145 megahertz. È più o meno lì che una coppia radicalica in una proteina come il criptocromo dovrebbe smettere di rispondere.

Vedere il campo

Se il sensore è nell'occhio, il segnale dovrebbe viaggiare lungo la via visiva. Nel 2009, il gruppo di Oldenburg studiò una piccola area del prosencefalo del pettirosso chiamata Cluster N. Elabora informazioni visive ed è attiva di notte, quando gli uccelli migrano. Quando il Cluster N fu distrutto su entrambi i lati, i pettirossi persero la bussola magnetica.

Riuscivano ancora a orientarsi con il sole e le stelle. Tagliare un nervo che porta segnali dal becco non cambiò nulla per la bussola. Quindi la bussola sembra passare attraverso la vista. È possibile che gli uccelli vedano il campo come un debole motivo sovrapposto a ciò che vedono, ma nessuno sa che aspetto abbia davvero per loro.

Il principale sospettato

Il principale sospettato è una proteina chiamata criptocromo 4. Nell'occhio del pettirosso si trova nelle parti dei coni che captano la luce. E nei pettirossi il suo gene diventa più attivo durante le stagioni migratorie, cosa che non accade nei polli. Nel 2021, un gruppo di Oldenburg e Oxford ha prodotto il criptocromo 4 del pettirosso in batteri e l'ha testato in laboratorio.

La sua chimica attivata dalla luce ha risposto a un campo magnetico in modo più marcato rispetto alla stessa proteina di polli o piccioni. Al suo interno, un elettrone salta lungo una catena di quattro amminoacidi per formare la coppia. Uno studio del 2024 su 363 genomi di uccelli ha trovato segni che la selezione naturale abbia favorito cambiamenti nel gene del criptocromo 4 negli uccelli canori. Ma il gruppo dell'esperimento del 2021 è stato prudente.

La proteina è stata testata da sola, in campi più forti di quello terrestre. Come ha detto Mouritsen, resta ancora da dimostrare che questo avvenga negli occhi degli uccelli. E la questione è tutt'altro che chiusa. Nel 2023, uno studio ha riportato effetti magnetici nei neuroni del moscerino della frutta, mentre un altro ha testato oltre 100.000 moscerini senza trovare alcun effetto magnetico sul loro comportamento.

Il ferro che non c'era

C'era anche un'idea rivale: minuscoli cristalli di ferro che fanno da aghi di bussola. Nel 1971, William Keeton incollò piccoli magneti sul dorso di piccioni viaggiatori. Liberati a una distanza tra 27 e 50 chilometri sotto un cielo soleggiato, gli uccelli esperti si orientavano comunque verso casa. Con il cielo completamente coperto si disorientavano, il che suggerisce che la bussola solare compensasse il magnete.

Più tardi, gli scienziati trovarono cellule ricche di ferro nel becco dei piccioni e pensarono di aver trovato gli aghi. Nel 2012 si scoprì che quelle cellule erano macrofagi, cellule immunitarie che riciclano il ferro. Ma il nervo del becco potrebbe comunque trasmettere qualcosa di magnetico, non per la bussola ma per la mappa.

Una bussola non è una mappa

Una bussola ti dice da che parte sei rivolto. Non ti dice dove sei. Tra il 1948 e il 1957, il biologo olandese Albert Perdeck catturò storni migratori nei Paesi Bassi e ne trasferì più di 14.000 in Svizzera. Gli anelli numerati alle zampe, recuperati in seguito, mostrarono dove erano andati gli uccelli.

Gli adulti corressero la rotta e si diressero verso i loro soliti quartieri di svernamento nell'Europa nord-occidentale. I giovani continuarono a volare nella loro direzione innata, ovest-sudovest, e finirono in Spagna e nel sud della Francia. Gli adulti avevano qualcosa che i giovani non avevano ancora: una mappa. In uno studio pubblicato nel 2013, alcune cannaiole spostate di 1.000 chilometri verso est si orientavano verso la zona di nidificazione quando venivano testate negli imbuti.

Gli uccelli con il ramo nervoso del becco tagliato continuavano a scegliere la vecchia direzione, come se non fossero mai stati spostati. Poi, nel 2017, ricercatori in Russia ruotarono il nord magnetico di 8,5 gradi rispetto alla sua direzione abituale, mantenendo uguali intensità e inclinazione del campo. Quel campo esiste vicino alla Scozia, non in Russia. Le cannaiole adulte cambiarono direzione di 151 gradi, come se fossero state portate lì.

Non tutti gli studi di spostamento concordano, e il senso della mappa è compreso ancora meno della bussola.

Ancora irrisolto

Ecco dunque a che punto siamo. Gli esperimenti con pettirossi e altri uccelli canori mostrano una bussola magnetica che legge l'inclinazione del campo, ha bisogno di luce e passa attraverso la vista. Un debole rumore radio può mandarla in tilt, proprio come ci si aspetterebbe da una reazione a coppia radicalica. Una proteina dell'occhio del pettirosso si comporta nel modo giusto in provetta.

Nessuno l'ha ancora vista funzionare dentro un uccello vivo. Se funziona davvero, gli uccelli migratori leggono il pianeta con una reazione che dipende dalla fisica quantistica. E il debole rumore elettrico delle nostre città potrebbe bastare a offuscarla.