Come gli animali trovano la rotta attraverso il mondo

Nell'inverno del 1976, il biologo Lincoln Brower si arrampicò nelle foreste di abete oyamel della Fascia Vulcanica Trasversale del Messico centrale, allungando il collo verso rami che si curvavano sotto il peso dell'arancione. Gli alberi erano ricoperti di farfalle monarca, milioni di esemplari raggruppati così fitti da piegare i rami. Brower non era lì per lo spettacolo. Cercava minuscole etichette adesive, non più grandi di un frammento di coriandolo, che lui e i suoi colleghi avevano applicato sulle ali delle monarche in Ontario il settembre precedente. Trovarne anche solo una avrebbe dimostrato qualcosa di quasi incredibile: che un insetto sottile come carta aveva volato per più di quattromilaottocento chilometri, da un ciglio di strada canadese a un preciso gruppo di montagne che non aveva mai visto, guidato da nulla che potesse in alcun modo aver appreso.

Le etichette saltarono fuori. Il viaggio era reale. E la domanda più profonda che esso solleva è una delle più sorprendenti di tutta la biologia. Come fa un animale ad attraversare continenti e oceani, spesso da solo, spesso per la prima e unica volta nella vita, e ad arrivare esattamente nel posto giusto?

Cosa è la migrazione e perché conviene

Prima di poter parlare di come gli animali si orientano, è utile essere precisi su cosa stanno facendo. La migrazione è uno spostamento stagionale a lunga distanza tra habitat distinti, dettato da cambiamenti prevedibili nelle risorse, nelle esigenze riproduttive o nel clima. Il termine copre una gamma enorme di comportamenti, ma la logica è sempre la stessa. Un'area del mondo ricca di cibo o sicura per allevare i piccoli in un periodo dell'anno diventa povera o pericolosa in un altro, mentre da qualche parte, lontano, accade l'esatto contrario. Un animale capace di muoversi tra le due raccoglie il meglio di entrambe.

Il problema è che arrivarci è costoso. Il costo energetico della migrazione è enorme, prosciuga le riserve di grasso accumulate in mesi ed espone il viaggiatore a tempeste, predatori ed esaurimento lungo il cammino. La migrazione persiste, tra insetti, uccelli, pesci e mammiferi allo stesso modo, perché il guadagno riproduttivo è ancora più grande. Un animale che sopravvive al viaggio lascia più discendenti di uno che resta fermo e muore di fame, oppure si riproduce in un habitat affollato e impoverito. La selezione naturale fa i conti, e nel tempo evolutivo i bilanci si chiudono a favore dei viaggiatori.

Uno scheletro costruito per la lunga distanza

Per gli animali che migrano volando, il viaggio comincia non con una bussola ma con una struttura. Il volo migratorio prolungato dipende da uno scheletro progettato per la contraddizione che sta al cuore del volare, ossia la necessità di essere insieme forte e leggero. Gli uccelli la risolvono con diversi accorgimenti contemporaneamente. Molte delle loro ossa sono pneumatizzate, parzialmente cave e persino collegate ai sacchi aerei dell'apparato respiratorio, il che elimina peso senza rinunciare alla robustezza. Gli scheletri del bacino e delle ali sono fusi in unità rigide, bloccando la superficie di volo in una piattaforma stabile che non si flette né spreca energia sotto carico.

L'ingegnosità arriva fino alla struttura stessa del tessuto osseo. L'osso si presenta in due disposizioni. L'osso corticale è lo strato esterno denso e compatto che resiste alla flessione e sopporta il grosso dello stress meccanico, mentre l'osso trabecolare è il materiale spugnoso e reticolare all'interno, una rete di minuscoli pilastri che distribuisce la forza nell'interno. Disposti insieme, i due danno la massima resistenza con la minima massa, lo stesso principio che un ingegnere usa quando costruisce un ponte che deve reggere un grande peso senza crollare sotto il proprio. L'uccello migratore porta con sé uno scheletro che è, in effetti, una capriata volante.

I viaggiatori e le distanze che percorrono

Le migrazioni più iconiche attraversano ogni habitat della Terra e raggiungono ogni grande gruppo di animali. Il giro multigenerazionale della farfalla monarca copre più di quattromilaottocento chilometri. La sterna artica, un uccello marino grande appena come un piccione, vola qualcosa come quarantamila chilometri in un solo anno, inseguendo l'estate da un polo all'altro e ritorno, così da vedere più luce diurna di qualsiasi altra creatura vivente. Le megattere nuotano per circa sedicimila chilometri tra le acque fredde e produttive in cui si nutrono e le calde secche tropicali in cui si riproducono e partoriscono. Nelle pianure dell'Africa orientale, più di un milione di gnu calpestano un circuito di circa milleottocento chilometri attorno al Serengeti, seguendo le piogge e l'erba. E il salmone del Pacifico compie forse l'impresa più mirata di tutte, tornando dal vasto anonimato dell'oceano aperto all'esatto torrente d'acqua dolce in cui è nato.

Ciò che accomuna questi viaggi non è la loro distanza, che varia enormemente, ma la precisione con cui sono diretti. Nessuno di questi animali vaga a caso. Ciascuno punta verso un luogo preciso, e il resto della storia riguarda gli strumenti che ce lo portano.

Leggere il Sole e le stelle

Il primo indizio di navigazione a essere decodificato in un esperimento controllato fu il più ovvio del cielo. Nel 1949, Gustav Kramer, che lavorava all'Istituto Max Planck di Wilhelmshaven, dimostrò che storni in gabbia, irrequieti per la voglia di migrare, orientavano il tentativo di partenza verso una direzione costante, e che questa direzione seguiva il Sole. Quando usò degli specchi per spostare la posizione apparente del Sole, gli uccelli spostarono diligentemente il loro orientamento dello stesso angolo. Cosa ancora più notevole, Kramer dimostrò che gli uccelli correggevano il movimento del Sole nel cielo nel corso della giornata. Poiché l'azimut del Sole, il suo rilevamento bussolare lungo l'orizzonte, cambia di continuo dall'alba al tramonto, una bussola solare è inutile senza un orologio che la interpreti. Gli storni portavano con sé quell'orologio, un ritmo circadiano interno che diceva loro che ora fosse e dunque dove si trovasse il sud.

Ma molti uccelli canori migrano di notte, quando il Sole è scomparso, e si scoprì che leggevano un cielo diverso. Nel 1967 Stephen Emlen portò degli zigoli indaco in cattività in un planetario della Cornell University e lasciò che osservassero un cielo notturno artificiale. Gli uccelli si orientarono in base a esso. Quando Emlen ruotò le stelle proiettate facendo girare il cielo artificiale attorno a un falso polo celeste, gli zigoli spostarono l'orientamento per adeguarvisi. Non stavano tanto memorizzando singole costellazioni quanto leggendo la geometria dei cieli, il punto fisso attorno al quale l'intero cielo sembra ruotare. Nell'emisfero settentrionale quel punto si trova vicino alla Stella Polare, e le stelle più prossime a esso si muovono meno, segnando il nord vero in modo altrettanto affidabile per uno zigolo quanto per un marinaio.

Una bussola interna per il campo magnetico terrestre

I cieli sereni sono un lusso, e gli animali che migrano per molte notti e attraverso il maltempo non possono affidarsi al Sole o alle stelle soltanto. Portano con sé una riserva che funziona al buio e attraverso le nuvole, un senso per il campo magnetico terrestre. La dimostrazione definitiva venne da Wolfgang e Roswitha Wiltschko, che cominciarono a documentare la magnetorecezione nei pettirossi europei (Erithacus rubecula) all'Università di Francoforte nel 1972. Misero i pettirossi in preda alla Zugunruhe, l'irrequietezza migratoria che afferra gli uccelli in gabbia nella stagione in cui normalmente viaggerebbero, e poi alterarono il campo magnetico attorno alla gabbia con delle bobine. Gli uccelli si riorientarono in sintonia con il campo, in modo prevedibile e ripetibile, il che poteva solo significare che possedevano una bussola magnetica interna.

Come funzioni quella bussola si è rivelato assai più difficile da stabilire del fatto che essa esista, e la spiegazione principale si spinge in un territorio dove la maggior parte delle persone non si aspetterebbe che la biologia arrivasse. Henrik Mouritsen e i suoi collaboratori all'Università di Oldenburg, costruendo direttamente sulle scoperte dei Wiltschko, hanno sostenuto che il senso magnetico risiede nell'occhio dell'uccello, mediato da una proteina sensibile alla luce chiamata criptocromo-4 nei fotorecettori della retina. Il meccanismo proposto è davvero singolare. Quando la luce blu colpisce la molecola di criptocromo, scinde una coppia di elettroni in ciò che i chimici chiamano coppia di radicali, due elettroni spaiati i cui stati di spin quantistico vengono sottilmente influenzati dal debole campo magnetico terrestre. La chimica che ne consegue dipende da quegli stati di spin, e così, secondo questa argomentazione, l'uccello potrebbe letteralmente vedere il campo magnetico come uno schema sovrapposto alla sua visione. Questo è uno dei pochi casi in cui la fisica dell'infinitamente piccolo, il dominio della meccanica quantistica, sembra affiorare nella vita quotidiana di un animale a sangue caldo, e rimane un'area di ricerca attiva e non del tutto risolta.

Salmoni che fiutano la via di casa

Non tutti i navigatori lavorano con la bussola. Il ritorno a casa del salmone del Pacifico si affida a un senso che raramente associamo ai lunghi viaggi, l'olfatto. Un salmone nato in un particolare torrente di montagna trascorre anni vagando per l'oceano aperto, talvolta a migliaia di chilometri da dove ha cominciato, e poi torna non solo al giusto sistema fluviale ma proprio all'affluente in cui è nato. Arthur Hasler, all'Università del Wisconsin negli anni Cinquanta, capì come. Ogni torrente porta con sé una chimica disciolta distintiva, una miscela di minerali, terreno e vegetazione in decomposizione che dà all'acqua un odore caratteristico. Da giovane, il pesce si imprinta su quell'odore, fissandolo nella memoria durante una breve e delicata finestra all'inizio della vita. Anni dopo, orientandosi nelle vie d'avvicinamento costiere con altri mezzi, segue il proprio naso risalendo il fiume che si dirama, scegliendo a ogni biforcazione il canale che odora di casa. Questo è l'imprinting olfattivo, e converte il problema astratto di trovare un torrente fra migliaia nel compito concreto di riconoscere un odore ricordato.

Il dettaglio più stupefacente, e un equivoco persistente

Torniamo ora alla monarca, perché la sua storia racchiude l'enigma più profondo. La monarca orientale completa il proprio ciclo annuale non nell'arco di una vita ma attraverso quattro generazioni. Tre generazioni estive dalla vita breve si riproducono negli Stati Uniti settentrionali e in Canada, e ciascun adulto vive solo poche settimane. Poi, all'avvicinarsi dell'autunno, emerge una quarta generazione biologicamente diversa. Questa super generazione vive da otto a nove mesi anziché settimane, rinvia la riproduzione e compie l'intero volo di quattromilaottocento chilometri verso sud fino alle stesse foreste messicane, sverna in quegli abeti oyamel e ricomincia il viaggio verso nord la primavera successiva.

Il fatto cruciale è che nessuna monarca compie mai l'intero tragitto di andata e ritorno, e nessuna monarca che vola verso sud è mai stata in Messico, e nemmeno il suo genitore, e nemmeno il suo nonno. Non c'è un anziano da seguire né un percorso da imparare. Questo cozza frontalmente con un'idea sbagliata diffusa e comprensibile, l'idea che gli animali in migrazione stiano seguendo un capo, copiando un percorso appreso o puntando verso un faro che li chiama avanti. La maggior parte delle specie migratrici non fa nulla di tutto ciò. Il percorso, la durata, la direzione e la destinazione sono scritti in un programma di navigazione ereditato, codificato nei geni ed espresso attraverso le stesse bussole che abbiamo descritto. La monarca non sa dove sia il Messico in alcun senso che riconosceremmo come sapere. Fa semplicemente ciò per cui il suo corpo è costruito, e questo basta.

Punti chiave

La migrazione è uno spostamento stagionale a lunga distanza tra habitat il cui enorme costo energetico è superato da un guadagno riproduttivo ancora più grande, e compare in tutto il regno animale, dal giro multigenerazionale di quattromilaottocento chilometri della monarca al circuito da polo a polo di quarantamila chilometri della sterna artica, ai sedicimila chilometri della megattera, al giro di milleottocento chilometri della gnu nel Serengeti e al ritorno millimetrico del salmone del Pacifico al torrente natale. I migratori volatori sono dotati di scheletri calibrati per la resistenza alla minima massa, con ossa pneumatizzate, strutture del bacino e delle ali fuse e osso corticale e trabecolare disposti per l'efficienza, mentre la navigazione stessa attinge a un corredo ereditato di bussole decodificate in decenni di esperimenti, ossia la bussola solare corretta con l'orologio scoperta da Kramer negli storni, la bussola stellare di Emlen negli zigoli indaco, la bussola magnetica dei Wiltschko nei pettirossi europei e il suo proposto meccanismo quantistico basato sul criptocromo esplorato da Mouritsen, e l'imprinting olfattivo di Hasler nei salmoni. In modo ancora più netto, questi viaggi non sono guidati, insegnati o seguiti ma ereditati, come dimostra senza ombra di dubbio il ciclo a quattro generazioni della monarca, poiché l'animale che vola verso un luogo che non ha mai visto porta con sé il percorso come parte della propria biologia anziché della propria memoria.