Amici Volanti

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   Set 28

Etologia pt. 4

ORIENTAMENTO BASATO SULLA ROTAZIONE DELLA TERRA?

Un’altra teoria ugualmente ingegnosa, ma più complessa, è quella proposta da un fisico svedese, Gustaf Ising, poco dopo la seconda guerra mondiale. Egli avanzò l’ipotesi che gli uccelli fossero sensibili agli effetti puramente meccanici della rotazione terrestre, che non solo potessero rivelare tali effetti, ma anche distinguerne le variazioni d’intensità al variare della latitudine. Una teoria di questo tipo può assumere parecchie forme che, a prima vista, sembrano diverse, sebbene ad un esame attento si riducano tutte pressappoco alla stessa cosa. Una delle più facili da capire è una variazione ipotetica tra i pesi apparenti dell’uccello quando vola verso oriente o quando vola verso occidente, perché in caso la sua velocità di volo viene addizionata, nell’altro sottratta, alla velocità di rotazione di tutta la superficie terrestre, compresa l’atmosfera. Quando si esamina la teoria di Ising e altre simili è molto utile disporre di un piccolo mappamondo; se non se ne ha a portata di mano uno lo si può costruire rapidamente infilzando un’arancia su un ferro di calze.
Come si legge su tutti i giornali in quest’epoca di satelliti artificiali, qualunque oggetto che conservi una velocità orizzontale di circa trentamila chilometri l’ora va in orbita intorno alla Terra anziché cadere al suolo. Un modo antiquato di descrivere questo fenomeno consiste nel dire che qualunque cosa si muova lungo un percorso curvo tende ad allargare la curvatura della sua traiettoria a causa della “forza centrifuga”. In base a ciò sin potrebbe dire che un satellite artificiale sfida la gravità perché la forza centrifuga dovuta alla sua velocità equilibra l’attrazione gravitazionale della Terra. Oggi i fisici preferiscono considerare la questione in modo un po’ diverso, mettendo l’accento sul fatto che qualunque oggetto in movimento può essere deviato dal suo percorso soltanto da un’accelerazione che operi in una direzione diversa dalla linea retta lungo cui sta muovendosi.
Se un oggetto deve muoversi a velocità costante lungo un percorso circolare deve essere soggetto ininterrottamente a un’accelerazione diretta verso il centro della sua traiettoria.
Quest’accelerazione centripeta deve sempre agire formando angoli retti con la direzione del moto dell’oggetto. Secondo i fisici moderni un satellite in moto in un’orbita circolare tenderebbe a continuare il suo rapido moto in linea retta, ma l’attrazione gravitazionale della Terra fornisce proprio quell’accelerazione centripeta necessaria a mantenerlo a una distanza costante da centro della Terra. Naturalmente nessun uccello vola a velocità che si avvicinino minimamente alla velocità orbitale, ma quando un uccello vola verso oriente aggiunge la sua velocità di volo a quella a cui la superficie della Terra ruota intorno all’asse terrestre.
Viceversa, quando l’uccello vola verso occidente la sua velocità rispetto all’aria va sottratta dalla velocità di rotazione della Terra per poter trovare la velocità effettiva di rotazione dell’uccello intorno all’asse del nostro pianeta. La forza con cui i nostri piedi tendono a premere contro il suolo o la forza esercitata dalle ali dell’uccello contro l’aria sarebbero di pochissimo superiori se la Terra cessasse di rotare: occorre infatti una parte piccolissima dell’attrazione gravitazionale per farci deviare verso il centro della Terra anziché continuare lungo un percorso perfettamente diritto nello spazio. La velocità massima rispetto all’aria per un uccello veloce è pressappoco di cento chilometri l’ora: questa velocità è circa un trecentesimo della velocità orbitale di 30.000 chilometri l’ora a cui un oggetto vicino alla superficie terrestre ha peso zero, perché l’attrazione gravitazionale basta appena a curvare il suo percorso verso l’interno mantenendolo parallelo al suolo. All’equatore, se tutti gli altri fattori restano perfettamente invariati, il peso apparente di un uccello che voli verso oriente a cento chilometri l’ora aumenterebbe di un novantamillesimo, poiché l’accelerazione centripeta varia in proporzione diretta al quadrato di velocità. In direzione di volo intermedie il cambiamento sarà più piccolo, e non vi sarà alcun cambiamento nei voli che puntano direttamente a nord e sud. Se l’uccello in volo potesse accorgersi di questi cambiamenti in teoria dovrebbe essere in grado di riconoscere subito le quarte della bussola.
Come può un uccello che voli a grande velocità essere in grado di valutare il proprio peso? Naturalmente, quando tutti gli altri fattori restano invariati, il peso può essere sentito come pressione meccanica dell’aria contro le ali. Questa pressione, tuttavia, varia grandemente con la velocità di volo e, nel volo remato, anche con i movimenti ciclici delle ali; inoltre ogni minima turbolenza dell’aria produrrebbe accelerazioni verso l’alto o verso il basso di grandezza uguale o, più probabilmente, molto maggiore. Poiché la rotazione della Terra non può essere variata sperimentalmente (e forse è meglio così!) è difficile sottoporre questa ipotesi a verifiche dirette. E non basta: abbiamo finora considerato soltanto la differenza massima che è quella che si ha all’equatore tra il volo verso oriente e quello verso occidente a cento chilometri l’ora; numerosi uccelli, naturalmente, volano a velocità molto inferiori. E la maggioranza delle migrazioni ha luogo a latitudini maggiori.
Al Polo Nord o al Polo Sud non si ha una rotazione della superficie terrestre o dell’atmosfera immediatamente al di sopra di essa, perciò il,peso apparente dell’uccello non sarebbe influenzato dalla direzione del volo. D’altra parte la Terra ruota al di sotto dell’uccello, quindi se per un certo tratto l’uccello vola in linea retta la Terra nel frattempo continua a muoversi: guardando in basso, verso la superficie nevosa, l’uccello potrebbe accorgersi di seguire una linea curva anziché una linea retta. Purché l’uccello voli effettivamente in linea retta (rispetto all’asse terrestre), quanto più vola lentamente tanto più accentuata e al curvatura. Supponiamo, per esempio, che un colibrì voli per ventiquattro ore a dieci chilometri l’ora, esattamente in linea retta, in vicinanza del Polo Nord: alla fine di questo periodo la Terra avrà compiuto una rivoluzione completa e l’uccello, pur volando diritto, sembrerà aver percorso un cerchio quasi completo sopra la banchiglia. (Il cerchio non sarebbe perfetto perché volando per duecento quaranta chilometri l’uccello si sarebbe allontanato dal polo vero e proprio).
Gli uccelli migranti non passano sopra il Polo Nord o sopra il Polo Sud e la maggior parte delle migrazioni avviene a latitudini intermedie, dove gli effetti della rotazione terrestre sono una risultante dei due effetti estremi descritti prima: la rotazione della Terra sotto l’uccello, che fa sì che esso descriva un percorso curvo rispetto alla superficie pur volando in realtà in linea retta, e il suo apparente cambiamento di peso dovuto alla direzione di volo. Il primo di questi due effetti, detto Coriolis, è importante nei molti di molti oggetti ben noti sulla superficie terrestre, compresi gli iceberg e le masse d’aria. Il caso degli iceberg è forse più vicino a quello dell’uccello migratore: in alcune parti del mare le correnti fluiscono quasi direttamente verso sud (per esempio la corrente del Labrador); frammenti di ghiaccio che si staccano dai ghiacciai della Groenlandia vengono trasportati verso sud da questa corrente, ma tendono a girare nel senso delle lancette dell’orologio, cioè verso destra, a causa dell’effetto Coriolis. Naturalmente molti altri fattori possono influire sui movimenti degli iceberg, come i venti ed i cambiamenti di direzione della corrente dovuti alla conformazione del fondo marino; ma l’effetto Coriolis è rilevante e sistematico quando basta perché la guardia costiera ne tenga normalmente conto nel fare previsioni sulla probabile direzione degli iceberg alla deriva.
Se venti e iceberg possono essere deviati dall’effetto Coriolis è avventato escludere categoricamente la possibilità che questo effetto sia percepito dall’uccello in volo. Tuttavia, proprio come per il cambiamento di peso apparente, le dimensioni dell’effetto Coriolis sono piccolissime ed è difficile immaginare come possano essere distinte dalle forze meccaniche che agiscono sul corpo dell’uccello: qualsiasi lieve vento, qualsiasi variazione nella portanza o nella resistenza opposta dal mezzo alle due ali potrebbe far deviare l’uccello in modo da ostacolare grandemente, se non addirittura impedire, la definizione della lieve curvatura del suo percorso sopra la superficie terrestre. Perciò le teorie sulla rotazione terrestre non sono affatto prese sul serio dai biologi che cercano di spiegare l’orientamento degli uccelli; ma per rifiutare queste teorie non abbiamo motivi così validi come avevamo nel caso dell’ipotesi basate sui raggi infrarossi o sul magnetismo. Il fatto è che nessuno è riuscito finora a escogitare un esperimento realizzabile per sottoporre a verifica diretta queste teorie basate sulla rotazione terrestre. Il cambiamento di peso apparente dovuto alla rotazione terrestre sarà naturalmente proporzionale alla velocità dell’uccello e un uccello fermo o uno che si muova molto lentamente incontrerebbe difficoltà molto maggiori di quello che incontrerebbe il nostro ipotetico uccello che vola a cento chilometri l’ora.

Rondine (Hirundo rustica)

rondine

rondine

Un antico proverbio, che va tuttora a vantaggio di questi assidui distruttori di moscerini e di mosche, dice “le rondini portano fortuna”.

Le anatre selvatiche e la Stella Polare

Matthews (uno studioso) provò anche a spostare gli orologi biologici che dovevano permettere alle anatre di dirigersi sistematicamente verso nord-ovest, indipendentemente dall’ora del giorno o dalla posizione apparente del sole nel cielo. Matthews regolò gli orologi delle sue anatre selvatiche: le tenne in locali chiusi con una riparazione artificiale di luce e buio per parecchi giorni, finché i loro cicli di attività, nutrimento e sonno vennero alterati per adattarsi alle nuove condizioni. Un gruppo di anatre fu messo sei ore avanti, un altro sei ore indietro, e un terzo fu sfasato di dodici ore rispetto al vero ritmo di giorno e notte. Infine, un gruppo di controllo fu tenuto in gabbia all’aperto in condizioni assolutamente naturali di luce e buio.
Allorché questi quattro gruppi di anatre selvatiche vennero lasciati liberi in giorni sereni, Matthews riscontrò negli angoli di rotta i cambiamenti previsti come risultato della nuova regolazione dei loro orologi: gli uccelli di controllo si diressero verso nord-ovest come d’abitudine; quelli i cui orologi erano stati messi avanti di sei ore si comportarono come se fosse stato più tardi di sei ore e si diressero pressappoco verso sud-ovest; allo stesso modo le anatre il cui orario artificiale era indietro di sei ore deviarono nella direzione opposta; le anatre sfasate di dodici ore rispetto all’ora effettiva si diressero verso sud-est, seguendo una rotta diametrale opposta a quella abituale verso nord-ovest. Quando Matthews lasciò libere le sue anatre di notte, sotto un cielo sereno, dopo aver spostato i loro orologi biologici esattamente allo stesso modo: sei ore avanti, sei ore indietro e sfasati di dodici ore. Sotto le stelle tutti e tre i gruppi scelsero la stessa rotta verso nord-ovest, comunque fossero stati regolati i loro orologi. Questo esperimento ci dice subito che gli uccelli possono apprendere di più dalle stelle che dal sole: il sole fornisce un solo punto di riferimento, e con l’aiuto degli orologi interni uccelli ed altri animali possono servirsene per un orientamento di direzione basato sulla bussola solare. Ma le anatre selvatiche di Matthews si servivano delle stelle per un tipo di orientamento di direzione nuovo e più stupefacente che non era tratto in errore, come l’orientamento basato sulla bussola solare, dallo spostamento dei meccanismi cronometrici interni.
Non vi è stato ancora tempo di far seguire a queste ultime scoperte di Matthews altre ricerche che servano a spiegare come le anatre selvatiche usino la posizione delle stelle per scegliere la loro direzione preferita verso nord-ovest. C’è ovviamente la possibilità che si basino sulla Stella Polare o su qualche gruppo di stelle dei suoi immediati dintorni; se così è debbono aver imparato che queste particolari stelle sono guide sicure per l’orientamento. Anche quando trovano il resto del firmamento spostato di novanta gradi dalla posizione prevista, le anatre ignorano questa differenza e volano sempre un po’ a sinistra della Stella Polare. Una prova di ciò Matthews potrà ottenerla se riuscirà a liberare delle anatre selvatiche con gli orologi spostati mentre una grande nuvola copre il cielo intorno intorno alla Stella Polare, lasciando visibili però le altre stelle. Affidarsi alla Stella Polare ci sembra il modo più semplice per orientarsi con la bussola stellare nell’eventualità di un’incertezza o di un errore nella propria valutazione dell’ora; ma questo non è, almeno in teria, il solo aspeto della posizione delle stelle che possa permettere un orientamento esatto basato sulla bussola stellare. Dopo le ricerche degli ultimi venti anni sulla navigazione degli uccelli appare evidente che gli uccelli migratori sono perfettamente capaci di scegliere la direzione per mezzo del sole, della luna e delle stelle. Prima del 1940 sembrava assurdo pensare che potessero compensare i movimenti apparenti del sole e delle stelle nel cielo e servirsi di indicazioni astronomiche per trovare la direzione esatta delle migrazioni annuali. Ancor più ridicolo sarebbe sembrata l’idea che la Stella Polare potesse essere scelta fra tutte le sue compagne come un faro che guidasse i loro voli migratori. Quest’ultima ipotesi non è stata discussa, ma ora è considerata per lo meno ragionevole e meritevole di verifica: se non è esatta vuol dire che gli uccelli degli ultimi esperimenti di Matthews devono essere in grado di fare qualcosa di equivalente alla rilevazione di una mappa del cielo.

Anatre selvatiche

anatre-selvatiche

anatra-selvatica

Oca selvatica con pulcini

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ORIENTAMENTO PER MEZZO DELLA BUSSOLA SOLARE

Alcuni esperimenti condotti da Kramer e Matthews (due sudiosi) su dei storni, dimostrano con molta autorevolezza che gli uccelli sanno compensare il movimento apparente del sole nel cielo. Questo tipo di orientamento è stato chiamato “orientamento per mezzo della bussola solare”, ciò significa semplicemente che l’uccello o latri animali si servono della posizione del sole per determinare una direzione particolare. Indispensabile all’orientamento con la bussola solare è la capacità di scegliere l’angolo tra la direzione del proprio viaggio e la direzione in cui si vede il sole: angolo che deve cambiare continuamente da un’ora all’altra del giorno man mano che la posizione del sole si sposta nel cielo. A prima vista sembrava un’impresa sorprendente per un animale, infatti per molto tempo i biologi rifiutavano perfino di prenderala serimante in considerazione. Ma in questi ultimi anni osservazioni ed esperimenti accurati hanno dimostrato che l’orientamento per mezzo della bussola solare si riscontra non soltanto negli uccelli ma anche in molti piccoli invertebrati, come gamberetti, ragni, insetti e perfino pesci e lucertole.

OROLOGI BIOLOGICI DI ANIMALI, PIANTE E MICROBI

La cacità degli uccelli di compensare il cambiamento di posizione del sole durante il giorno può essere meglio capita esaminandola insieme ad altri fenomeni biologici che mettono in evidenza la presenza di meccanismi misuratori del tempo all’interno dei corpi di animali e piante. Questi indicatori del tempo spesso si manifestano attraverso i cosidetti ritmi di attività endogena. Quasi tutti gli animali e tutte le piante nella loro vita normale mutano la loro attività dal giorno alla notte: alcuni firoi si schiudono durante il giorno, certi animali dormono di giorno e sono attivi di notte, o veceversa. Questi comportamenti mutevoli sono più facilmente spiegabili come reazioni dirette all’ambiente fisico mutevole. Prendiamo per esempio gli uccelli, che sono in maggioranza diurni: è logico supporre che vadano a dormire quando calano le tenebre e si sveglino qunado comincia la luce del giorno. Ma di tanto in tanto i biologi si sono domandati che cosa accadrebbe a piante e animali mantenuti in condizioni ambientali costanti. Supponiamo di tenere un animale in un laboratorio, in cui temperatura, umidità, suoni e luce siano amantenuti il più possibile costanti per eliminare ogni variazione diurna. Poiché non vi è nulla che distingua il giorno dalla notte possiamo prevedere che l’attività dell’animale resti costante oppure vari in modo irregolare, senza alcun rapporto con il ciclo normale di ventiquattro ore del giorno e della notte. È quello che avvine infatti con alcuni tipi di animali, ma nella maggioranza dei casi registrazioni accurate di alcuni aspetti dell’attività dell’animale mostrano che persiste un ciclo di ventiquattro ore perfino in condizioni praticamente costanti. Uccelli tenuti nelle tenebre complete mostrano una assenza di attività quasi totale, ma un’illuminazione continua e relativamente fioca permette all’uccello di orientarsi nella gabbia, di trovare il cibo e l’acqua e di mantenersi in condizioni abbastanza soddisfacanti. La forma di attività che è più facile misurare è il movimenti muscolare complessivo dell’uccello; questa misura viene di solito eseguita sospendendo la gabbia per mezzo di molle leggere o striscie di gomma, in modo che ogni passo o balzo dell’uccello provochi una scossa facilmente registrabile.
Se si esamina la registrazione eseguita per un periodo di molti giorni si trova spesso un ciclo regolare di ventiquattro ore nei movimenti dell’uccello, anche nelle condizioni più costanti che è possibile escogitare. Di solito vi è un pericolo di attività maggiore al mattino presto e un altro alla sera tardi.
Piccoli mammiferi notturni, come ratti e topi, sono stati studiati molto più ampiamente degli uccelli e non abbiamo motivo di ritenere che i loro orologi biologici siano sostanzialmente diversi. Abbiamo a disposizione un numero tanto maggiore di dati precisi ricavati dallo studio di roditori notturni che possiamo farci un’idea più chiara sugli orologi biologici in genrale lascinado da parte per unmomento gli uccelli e prendendo in esame gli esperimenti eseguiti su un tipo comune di piccolo topo dei boschi, il peromisco dai piedi bianchi o topo della sera.
Questo piccolo e grazioso mammifero in condizioni normali è rigorosamente notturno, durante il giorno rimane nascosto in busche o altri rifugi e comincia ad andare in giro soltanto dopo che sono calate le tenebre. Vive volentieri in piccole gabbie in laboratorio, soprattutto se queste gabbie sono fornite di ruote, come quelle delle gabbie da scoiattoli, entro cui può correre finché vuole; queste ruote sono un comodo meccanismo per registrare l’attività esplicata nella corsa.
Se un topo della sera, comodamente installato in una gabbia di questo tipo, con un ciclo normale di giorno e di notte, viene ora mantenuto in condizioni costanti, compresa la continua oscurità, continua a correre pressappoco come prima. Questi animali non hanno difficoltà a muoversi al buio nelle gabbie o a trovare il cibo, che in esperimenti come questo è fornito in abbondanza. Quasi tutti i peromischi mostrno, nella loro attività di corridori, un tipo per lo meno approssimativo di ciclo di ventiquattro ore. Alcuni individui sono notevolmente precisi nell’orario di questa attività. Dopo diversi cicli di alternarsi normale di giorno e notte, questo topo venne tenuto continuamente al buio per tutto il resto dell’esperimento. La sia attività continuò ad essere ciclica e l’energetica corsa nella ruota cominciava bruscamente pressappoco all’ora abituale ogni sera. L’inizio di questa attività di corsa aveva luogo con notevole precisione in un’ora prevedibile, con una possibile variazione in più o in meno di due o tre minuti.
Si è trovato che molte piante e molti microrganismi manifestano rotmi simili di attività diurna in condizioni costanti: anche il ciclo diurno dello schiudersi e chiudersi dei fiori si conserva in molti casi in un ambiente artificiale invariabile. Un organismo unicellulare chiamato Euglena, che nuota vigorosamente per mezzo di un lungo flagello o appendice a forma di frusta, va verso un fascio di luce che viene acceso periodicamente per illuminare parte del recipiente contenente una coltura di migliaia di cellule di Euglena. Ma la velocità con cui le cellule si muovono attratte verso l’area illuminata e la percentuale di individui che raggiungono la luce variano grandemente durante un ciclo di ventiquattro ore che persiste anche in ambiente artificiale invariabile. Un altro esempio di “orologio” di ventiquattro ore in un microrganismo è l’emmissione di luce da parte di certe alghe marine unicellulari quando vengono disturbate: è stato dimostrato che la quantità di luce emessa varia periodicamente secondo un orario di ventiquattro ore circa, anche in condizioni costanti ottenute in laboratorio. Ancor più notevole, dal punto di vista del biochimico, è il fatto che molti di questi orologi biologici siano puntuali quasi allo stesso modo ad alta o a bassa temperatura, naturalmente entro i limiti in cui l’organismo può sopravvivere. Quasi tutte le reazioni chimiche sono accelerate da un aumento di temperatura: di solito la loro velocità raddoppia a ogni aumento di 10°C; ma gli orologi biologici, che presumibilmente sono basati su processi biochimici, sono termocompensati.

Pettirosso (Erithacus rubecula)

pettirosso

pettirosso01

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REGOLAZIONE DEL TEMPO PER MEZZO DI PROCESSI BIOLOGICI

Alcuni biologi hanno messo in dubbio la possibilità che meccanismi relegati esclusivamente all’interno dei corpi di animali, piante e microbi, riescano a raggiungere una simile precisione e una simile indipendenza dalla temperatura: come si può essere assolutamente sicuri, si sono domandati, che qualsiasi influsso preveniente dal mondo esterno si astato eliminato dal laboratotio a temperatura costante in cui si sono studiati gli orologi biologici.Tre tipi di prove hanno persuaso la maggioranza dei biologi che non è il caso di nutrire preoccupazioni del genere. Animali che avevano dato prova di un ritmo di attività endogena in ambiente costante furono trasportati in aereoplano da Parigi a New York o da New York in California, in un altro laboratorio in cui l’epserimento veniva ripetuto immediatamente: ebbene, l’orologio biologico continuava a funzionare regolato sul tempo dell’ambiente di provenienza. Se l’orologio fosse regolato da condizioni locali, che filtrino nel laboratorio dal mondo esterno, un animale notturno dovrebbe cominciare la sua attività all’ora serale del luogo anziché all’ora serale del suo paese d’origine, distante centinaia di chilometri verso oriente. Un secondo tipo di prova si ricavava dal fatto che di rado gli orologi biologici sono veramente precisi e il tempo e il tempo che passa tra l’inizio di un periodo di attività e il successivo non è mai di ventiquattro ore esatte, ma di solito leggermente più breve. Con l’andar del tempo un animale isolato come il peromisco di cui abbiamo parlato prima, può entrare in attività con docici ore di differenza sul suo periodo normale di veglia. Se fattori esterni controlassero il suo tempo, l’attività non dovrebbe differire in modo sostanziale da quella del giorno e della notte del mondo esterno.
Il terzo tipo di prove, che dimostrano che gli orologi biologici sono veramente regolati da processi fisiologici che avvengono all’interno dell’animale, proviene da esperimenti che si sono dimostrati molto utili anche per spiegare come gli uccelli adoperino questi orologi interni nell’orientamento con la bussola solare. La procedura consiste nel dare una nuova regolazione all’orologio tenendo per diversi giorni l’animale in una stanza chiusa, in cui la luce elettrica fornisca un ciclo di ventiquattro ore di luce e buio fuori fase rispetto al giorno e alla notte effettivi del mondo esterno. Per esempio, in un dato esperimento le luci possono essere accese a mezzanotte e spente a mezzogiorno, in una stagione ed a una latitudine in cui il giorno naturale comincia al sorgere del sole alle sei del mattino e termina al tramonto, alle sei pomeridiane. Gli uccelli tenuti con questo orario pervengono in pochi giorni ad adattare le prorpie attività a questo nuovo modo di vivere e cominciano e terminano le loro attività giornaliere sei ore prima di un gruppo di controllo lasciato alla luce naturale del giorno. Per gli uccelli e per moltissimi vertebrati la luce è il fattore ambientale più efficace che possa essere usato per regolare in questo modo gli orologi biologici.
Dopo che il suo orologio è stato così spostato, l’uccello può essere esposto a una fioca illuminazione costente. Il risultato è che continua a mostrare un ciclo di attività regolato in base all’orario della luce artificiale a cui si è da ultimo adattato.
Nell’esempio descritto l’uccello continuerebbe a diventare attivo tra mezzanotte e l’una antimeridina, anche in ambiente costante: come per gli animali trasportati bruscamente a centinaia di chilometri verso oriente o verso occidente, l’orologio biologico gli fa mantenere un orario di attività completamente sfasato rispetto al mondo esterno, dimostrndo così che su di esso non influiscono seriamente fattori ambientali locali che potrebbero infiltrarsi in modo insospettato nel locale a temperatura costante.
Esperimenti di questo tipo, in cui gli orologi biologici degli uccelli sono regolati con sistemi sostanzialmente simili a quelli descritti, hanno domostro che le scelte di direzione dipendono dal meccanismo cronometrico interno dell’uccello. Gli storni che Kramer e i suoi colleghi avevano addestrato a cercare il nutrimwnto in una delle varie mangiatoie disposte intorno al bordo di una gabbia circolare furono sottoposti a ritmi di illuminazione artificiale che cambiarono la regolazione dei loro orologi. Uno storno che prima aveva imparato a cercare il nutrimento ad est, servendosi dell’orientamento con la bussola solare nel ciclo naturale di giono e di notte, venne regolato in modo cha la sua “alba” artificiale giungesse sei ore dopo il sorgere del sole: posto in una gabbia da esperimenti cercò il cibo nella direzione sbagliata rispetto al sole. Se per esempio la prova veniva eseguita al mezzogiorno vero (poco dopo l’alba del ciclo artificiale dell’uccello) lo storno cercava il cibo nella mangiatoia posta direttamente in direzione del sole anziché in quella che si trovava novanta gradi a sinistra: quest’ultima, naturalmente, era la mangiatoia che si trovava veramente a est. Lo stesso storno aveva scelto con precisione la mangiatoia posta a est quando era stato messo alla prova nella stessa gabbia prima che il suo orologio venisse regolato diversamente. La possibilità di regolare gli orologi biologici, esponendo gli uccelli a cicli di luce e di buio spostati artificialmente, fornisce agli sperimentatori un mezzo per stabilire in quale misura viene impiegato nelle varie situazioni l’orientamento basato sulla bussola solare.

L’ipotesi dell’arco solare

L’orientamento per mezzo della bussola solare implica da parte degli uccelli l’uso di orologi biologici sulla cui base scegliere un angolo progressivamente mutevole relativo alla posizione del sole nel cielo. Questa capacità è stata messa ampiamente in evidenza non solatanto negli uccelli ma anche nelle lucertole, nei pesci, negli insetti ed in molti altri invertebrati. Traducendo il loro pensiero in parole umane si può immaginare che gli uccelli dicano a se stessi: “Adesso è mezzogiorno e poiché voglio andare a nord devo allontanarmi dal sole”, o, più tardi, nello stesso giorno: “Ora è pomeriggio abbastanza avanzato, perciò per volare a nord debbo avere il sole sulla spalla sinistra”.
Matthews avanzava l’ipotesi che gli uccelli potessero confrontare l’altezza del sole sull’orizzonte, in un certo momento, con quella che avrebbe dovuto avere in quello stesso momento nel loro luogo d’origine. Tradotto di nuovo in limguaggio umano il pensiero dell’uccello poteva essere: “So dal mio orologio biologico che è mattino presto, ma il sole è troppo alto per questa ora del giorno: o mi hanno portato verso sud, dove il sole a quest’ora è più alto nel cielo, o mi hanno portato verso est, dove il sole sorge prima che a casa”. A questo punto possiamo smettere di immaginarci i ragionamenti dell’uccello e supporre che il nostro uccello, fatte queste deduzioni, decida di agire come meglio può in una situazione incerta in cui la sua posizione potrebbe essere in qualsiasi direzione tra est e sud e scelga la via di mezzo dirigendosi verso nord-ovest.
Un ornitologo inglese, Tunmore, ha suggerito un tipo di reazione di comportamento da parte dell’uccello che può essere espressa in modo ancora più semplice. La sua regola ipotetica per un uccello che si trovi in territorio sconosciuto durante un esperimento di ritorno al nido è questa: “Se il sole è più alto di qunato ti aspetteresti nell’area del tuo nido, vola lontano dal sole; se invece è più basso, vola verso di esso”. Per buona parte del tempo un uccello che obbedosce alla regola di Tunmore si dirigerebbe di fatti nella direzione del nido deviando al massimo di trnta o quarantacinque gradi; ma in altri momenti del giorno, soprattutto al tramonto o al sorgere del sole, la regola di Tunmore provocherebbe deviazioni di novanta gradi o più.
Matthews avanzava l’ipotesi che gli uccelli facessero qualcosa di alquanto più complicato: osservassero cioè il movimento apparente del sole nel cielo e in base alla sua velocità di ascesa o discesa rispetto all’orizzonte completassero per estrapolazione il suo arco nel cielo a mezzogiorno, ossia fino alla sua posizione più alta. Egli supponeva che l’uccello non solatanto sia in grado di giudicare a che altezza dovrebbe trovarsi il sole a mezzogiono, ma anche qunato tempo prima o dopo ci si troverebbe rispetto al momento dell’osservazione. Se tutto questo calcolo venisse eseguito con sufficente precisione l’uccello dovrebbe allora poter giudicare in quale direzione è stato spostato dallo sperimentatore. Il successo dipenderebbe, naturalemente, non soltanto dalla precisione con cui l’uccello ha misurato l’altezza del sole e la velocità con cui essa cambia, ma anche dalla precisione del roologio interno. Poiché non è stato dimostrato che gli uccelli posseggano la capacità di eseguire queste misure con la necessaria precisione e data la complessità della supposta estrapolazione dell’arco solare, la teoria di Matthews non ha raccolto molto consensi. Ma buona parte degli orientamenti verso il nido può essere spiegata da qualche forma modificata della teoria dell’arco solare, come la semplice regola di Tunmore, “Vola lontano dal sole se è inaspettatamente alto, e verso di esso se sembra troppo basso”. Ancora una volta si attende una spiegazione esauriente dall’iniziativa di futuri sperimentatori. I delicati esperimenti, eseguiti facendo ricorso anche al radar ed agli aeroplani, sembrano aver stabilito che gli uccelli riescono a navigare grazie ai loro orologi biologici interni, riferendosi al moto del Sole di giorno ed alle posizioni delle stelle di notte.

Come sa un uccello quando è il momento di migrare?

per quanto forte possa essere la spinta dovuta la suo ciclo riproduttivo annuale, un uccello migratore ha ancora il problema di sapere quando iniziare il suo viaggio stagionale. Si può supporre che la temperatura, le condizioni meteorologiche locali, la disponibilità di cibo ed altre condizioni ambientali possano influire direttamente sulla migrazione dell’uccello verso nord o su altri preparativi per l’accoppiamento. Sembrerebbe anche ragionevole supporre che quando l’estate artica volge al termine gli uccelli migratori indugino fino a qunado le notti più fredde e la diminuzione del cibo disponibile rendano inadatti i loro quartieri estivi, e che soltanto allora comincino il viaggio di ritorno verso sud, lungi dalle tundre artiche che avevano raggiunto con tanti duri sforzi poche settimane prima. Ma la maggioranza degli uccelli migratori inizia in realtà le migrazioni primaverili innclimi molto diversi da quelli dominanti nelle aree di produzione. Le numerose specie che svernano nelle regioni tropicali devono devono lasciare queste regioni, dove le condizioni sono relativamente costanti, nella stagione adatta se vogliono intercettare la fuggevole estate settentrionale. Che cosa dice a un uccello nella foresta tropicale del Sud America che è giunto il momento di dirigersi verso settentrione, in tempo per giungere nella tundra canadese subito dopo lo scioglimento delle nevi? Il comportamento degli uccelli è tanto più sorprendente se si pensa alla precisione con cui alcune specie regolano il proprio calendario stagionale. Registrazioni accurate eseguite per parecchi anni mostrano che certe specie arrivano nelle loro aree di riproduzione ogni anno nella stessa settimana, se non addirittura nello stesso giorno. Le partenze e gli arrivi della maggior parte degli ucelli migratori sono più strettamente correlati con la data del calendario che con le condizioni atmosferiche locali.
Similmente l’inizio della migrazione autunnale non ha rapporto con la situazione locale in cui si trovano gli uccelli nei mesi estivi, dopo che i loro piccoli hanno raggiunto uno stato di autosufficienza: il più delle volte il clima è ancora mite, il cibo abbondante; tutte le condizioni sembrerebbero ideali per riprendersi con comodo dalla dura fatica della migrazione verso nord, della nidificazione e della ricerca di cibo per l’accresciuta famiglia. Ma, lungi dall’abbandonarsi a questo riposo, molte specie ripartono immediatamente verso sud. Per esempio, nelle regioni temperate, durante il mese di agosto gli uccelli di ripa compaiono numerosi sui lidi sabbiosi delle regioni costiere, quando molti uccelli canori del luogo nutrono ancora i nidiaci. Pivieri e altri si trovano già a mezza strada nel viaggio verso le loro residenze inveranali nei tropici prima che le temperature abbiano superato le massime punte estive o il cibo abbia cominciato a scarseggiare.

Rigogolo (Oriolus oriolus) con pulcini

rigogolo

Durata dell’illuminazione diurna

Tra i fattori ambientali che potrebbero fornire le indicazioni necessarie a stabilire il momento adatto alla migrazione uno dei primi che vengono in mente è la durata della luce del giorno. Nei climi temperati, dove la maggior parte degli scienziati ha vissuto ed esercitato il propio pensiero, l’intervallo di tempo fra il sorgere e il tramonto del sole è uno degli avvenimenti prevedibili con maggior sicurezza in un clima estremamente variabile. William Rowan, un biologo dell’Università di Alberta, a Edmond, cominciò a studiare specificamente l’argomento servendosi di esperimenti appropiati.
Gli uccelli della provincia di Alberta sono in maggioranza migratori ed il clima inveranle è rigido quanto basta perché restino sul posto soltanto poche specie. Rowan concentrò i suoi studi su due migratori che sono numerosi e nidificano nelle regioni delle praterie, un fringillide della specie Junco hyemalis, parente del passero, e la cornacchia americana. Entrambe le specie sono relativamente robuste e non migrano ai tropici ma sverano in una vasta area corrispondente approssimativamente alla regione centro-settentrionale degli Stati Uniti. A primavera migrano entrambe a settentrione in gran numero, non soltano fino alla latitudine di Edmonton (54° di latitudine nord), ma anche più a nord, nel territorio canadese fin dove si trovano boscaglie di laberi nani e cespugli.
Sebbene questi uccelli normalmente migrino molto a sud, non avevano molta difficoltà a sopravvivere anche a temperature di -45°C, purché trovassero con facilità nutrimento sufficiente. I giorni estivi lunghi offrono un vantaggio effettivo agli uccelli che migrano all’estrmo nord, ma giorni brevi e notti lunghe rendono pericoloso l’inverno settentrionale per gli uccelli piccoli, anche per quelli capaci di utilizzare semi e altro cibo ancora disponibile. Uno dei principali ostacoli alla sopravvivenza di questi uccelli per lunghi periodi invernali, in condizioni naturali, è la breve durata di illuminazione diurna di cui dispongono per la ricerca del cibo. Perfino nel clima relativamente mite del Massachusetts i passeri mangiano durante il giorno semi in quantità tale da immaganizzare circa il dieci per cento del peso del proprio corpo sotto forma di grasso, ma in una notte fredda questo grasso viene quasi tutto consumato, anche se l’uccello dorme per la maggior parte del tempo: soltanto per mantenere costante la temperatura del corpo l’uccello consuma una così alta percentuale del proprio peso. Se si aggiunge qualche piccolissima contrarietà, come temperature più basse di notte, mancanza di un luogo riparato dal vento per dormire, o cibo appena un po’ meno abbondante, delle condizioni inveranli tollerabili possono facilemente trasformarsi in condizioni decisamente fatali. Queste sono alcune delle difficoltà cui gli uccelli sfuggono migrando a sud.
Rowan utilizzò l’illuminazione elettrica per allungare la durata normale del giorno nelle uccelliere in cui erano sistemati gli uccelli sottoposti a esperimento, e si serv’ di un’uccelliere senza illuminazione artificiale a scopo di controllo. Né l’uccelliera destinata all’esperimento né quella di controllo erano riscaldate o protette dai venti e dalle bufere di neve delle praterie canadesi. Era stata ampiamente discussa la possibilità che l’aumento di temperatura in primavera fosse il fattore essenziale che metteva gli uccelli selvatici in condizione di riprodursi e li spingeva a migrare verso nord; Rowan sospettava che le cose stessero altrimenti e volle essere sicuro che i suoi uccelli fossero esposti in pieno ai rigori invernali della provincia di Alberta. A cominciare dai primi di novembre allungò l’illuminazione diurna per i suoi soggetti d’esperimento di cinque minuti al giorno, cosicché a metà dicembre essi trascorrevano circa quindici ore al giorno nelle luce, laddove gli uccelli di controllo avevano soltanto le nove ore di luce che la natura concede alla latitudine di Edmonton.
I risultati degli esperimenti di Rowan non lasciarono dubbi: i suoi uccelli sottoposti all’esperimento reagirono alla aumentata lunghezza del giorno con un grande sviluppo delle ovaie e dei testicoli. A metà dicembre i maschi cantavano vigorosamente, come fanno normalmente in primavera quando difendono il terreno scelto per il nido. Gli uccelli di controllo rimasero nelle tipiche condizioni invernali sia per dimensioni degli organi di riproduzione sia per il comportamento. Quando i fringillidi su cui era stato eseguito l’esperimento ebbero raggiunto in pieno inverno quelle che sembravano condizioni perfettamente adatte al periodo riproduttivo, furono liberati insieme agli altri che servivano da controllo per vedere se migravano. I risultati non permisero di giungere ad una conclusione definitiva: alcuni uccelli sottoposti a esperimento e quasi tutti quelli di controllo rimasero vicino alle uccelliere e furono ricatturati; altri scomparvero, ma non ci fu possibilità di capire se furono sopraffatti dalle dure condizioni invernali o se migrarono, e in tal caso in quale direzione.

MIGRAZIONE DI ALTRI ANIMALI

È un errore dedurre che le migrazioni annuali siano caratteristica esclusiva di questo particolare gruppo di animali: gli uccelli. Naturalmente la capacità di volare rende le lunghe migrazioni più facili per gli uccelli che per gli altri animali con possibilità di locomozione più limitate. I pipistrelli sono mammiferi volatori e, sebbene non siano così appariscenti, né così conosciuti come gli uccelli, e siano tutt’altro che popolari, migrano anch’essi con notevole successo. Osservazioni stagionali sulla presenza e assenza di questi animali sono state completate contrassegnando con delle piastrine migliaia di individui e catturandone di nuovo alcuni a distanze considerevoli. Tutti i pipistrelli che vivono in climi temperati si nutrono di insetti, e questo cibo d’inverno manca quasi completamente. I pipistrelli riescono a non morire di fame o andando in letargo in qualche rifugio, per esempio una grotta fredda ma non sotto zero, o migrando verso sud, nelle regioni dove gli insetti di cui si cibano sono disponibili per tutto l’inverno. Si ebbe il sospetto che adottassero quest’ultima soluzione perché alcune specie di pipistrelli insettivori non si trovavano quasi mai in letargo nelle caverne, pur essendo molto abbondanti d’estate in Europa o nelle regioni settentrionali degli Stati Uniti e del Canada. L’inanellamento rivelò in seguito che perfino i pipistrelli che si servono delle caverne come rifugi invernali migrano di solito spostandosi da 250 a 300 chilometri dai quartieri estivi alla particolare caverna scelta come rifugio invernale.
Nelle regioni sud-occidentali degli Stati Uniti, soprattutto in caverne come la Carlsbad Cavern nel New Mexico, è straordinariamente abbondante una particolare specie di pipistrelli insettivori, il pipistrello messicano a coda libera (un pipistrllo della famiglia degli Emballonuridi la cui coda è più o meno indipendente dalla membrana interfemorale).
Molte migliaia di questi pipistrelli sono state inanellate sia negli Stati Uniti sud-occidentali sia in Messico, e un gran numero di questi pipistrelli inanellati è stato ripreso dopo la migrazione di 1.300 chilometri dal New Mexico e dall’Oklahoma al Messico settentrionale e centrale. Anche in Europa l’inanellamento ha rivelato migrazioni di portata paragonabile a questa: uno dei più lunghi voli documentati andava da Dresda, nella Germania centro-meridionale, fino in Lituania.

Orecchione

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Rinolofo maggiore con cucciolo

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UNA FARFALLA MIGRATRICE: IL MONARCA

Poiché gli insetti così piccoli, così astronomicamente numerosi, e così difficili da seguire singolarmente, le loro migrazioni si conoscono quasi esclusivamente attraverso la semplice e laboriosa registrazione della loro presenza o assenza stagionale. Questo tipo di prove ha dimostrato in modo convincente che diverse specie di farfalle, alcuni tipi di falene, e probabilmente anche le libellule compiono migrazioni di molte decina o centinaia di chilometri. Recentemente, però, il metodo più raffinato, l’inanellamento e la numerazione di singoli esmplari, è stato applicato al monarca, una specie di farfalle numerosa e composta di forti migratori. Un monarca pesa circa 0,4 grammi ed è molto più piccolo del più piccolo colibrì. Se si osserva volare una farfalla, sia pure grande come quelle di questa specie, la prima reazione è il timore che da un momento all’altro debba cadere al suolo: sembra quasi impossibile che ali come queste, simili a carta, possano trasportare un insetto così delicato per centinaia di chilometri in una regolare migrazione annuale biologicamente utile allas pecie. Da molti anni, la comparsa e la scomparsa stagionale dei monarchi e di altre farfalle aveva indotto i biologi a supporre che migrassero verso sud, percorrendo distanze notevoli malgrado il soffiare del vento e le barriere geografiche costituite da fiumi, laghi e montagne.
Recentemente questa conclusione è stata confermata e ampliata grazie ad un’operazione collettiva su grande scala per contrassegnare gli insetti, diretta e coordinata da F.A. Urquahart di Toronto. Le targhette sono strisioline di carta numerata, che vengono incollate ad un’ala; molte migliaia di queste farfalle sono state così contrassegnate, per lo più da entusiasti biologi dilettanti. Diversi minarchi etichettati presso Toronto, nell’Ontario, sono stati ritrovati a est, fino a Long Island, nello stato di New York, e a sud fino nella Florida e nel Texas. Il viaggio più rapido su grandi distanze è stato registrato per una farfalla lasciata libera il 13 settembre nell’Ontario e recuperata il 25 ottobre dello stesso anno nel Texas, circa 2.150 chilometri a sud-ovest. la velocità media di questa migrazione era stata di almeno cinquantuno chilometri al giorno. Il viaggio più lungo documentato dal ritrovamento di un monarca contrassegnato andava dall’Ontario allo Stato di San Luis Potosi, in Messico. Erano trascorsi quattro mesi e sette giorni dal momento in cui la farfalla era stata contrassegnata a quando era stata ritrovata: non aveva stabilito alcun primato di velocità ma la strabiliante distanza percorsa in linea retta era stata di tremila chilometri.

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Una migrazione di farfalle: monarchi contrassegnati vicino a Toronto (indicata dal circoletto rosso) furono ripresi l’autunno successivo nei punti indicati dai circoletti blu. Questi tremila chilometri di volo fino al Messico furono percorsi in quattro mesi, un volo fino al Texas prese invece quarantadue giorni.

Farfalla monarca

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Bruco di Farfalla Monarca

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