Il campo magnetico terrestre

La terra come un dipolo magnetico Nord geografico Nord magnetico S N

Posizione del Polo Nord magnetico

Vettore magnetico Il vettore campo magnetico

Il vettore campo magnetico mn Piano dell orizzonte mn Componente orizzontale Inclinazione Componente verticale Vettore magnetico

Il vettore campo magnetico gn Declinazione Piano dell orizzonte mn Componente orizzontale ge Inclinazione Componente verticale Vettore magnetico

Il vettore campo magnetico Emisfero magnetico Nord mn Emisfero magnetico Sud Il vettore è inclinato verso il basso la componente orizzontale punta verso il mn la componente orizzontale punta verso il polo mn Il vettore è inclinato verso l alto la componente orizzontale punta verso il mn la componente orizzontale punta verso l equatore

Il campo magnetico terrestre (CMT): variazioni Intensità: 30-65 µt (30 000-65 000 nt) Inclinazione: 0 (equatore) - 90 (poli magnetici) Variazione CMT di 5-10 nt/km e 0.01 /km Variazioni temporali (giornaliere) di 50-100 nt e 0.1 (fino a 150-200 nt e 0.5-1 ) e spaziali (anomalie) fino a oltre 100,000 nt (spesso 5-10 % del campo locale)

Il campo magnetico terrestre (CMT): variazioni E possibile identificare differenti località geografiche sulla base dei loro parametri magnetici (ad es. intensità e inclinazione). Possibile impiego di stimoli magnetici per navigare. Problemi per presenza di variazioni temporali. Intensità: 30-65 µt (30 000-65 000 nt) Inclinazione: 0 (equatore) - 90 (poli magnetici) Variazione CMT di 5-10 nt/km e 0.01 /km Variazioni temporali (giornaliere) di 50-100 nt e 0.1 (fino a 150-200 nt e 0.5-1 ) e spaziali (anomalie) fino a oltre 100,000 nt (spesso 5-10 % del campo locale)

La magnetorecezione

Esperimenti di condizionamento magnetico Tentati ripetutamente, spesso con scarso successo Buoni risultati nelle api (sensibilità di pochi nt), e (in parte) in alcuni pesci. Recenti risultati interessanti nei colombi e in altri uccelli.

Esperimenti di condizionamento magnetico (ca. 100 000 nt) Colombo viaggiatore Columba livia Mora et al. 2004

Esperimenti di condizionamento magnetico Pettirosso (Erithacus rubecula) (ca. 85 000 nt) Kishkinev et al. 2012

Esperimenti di condizionamento magnetico Pettirosso (Erithacus rubecula) Suono + CM Suono decrescente + CM Solo CM (ca. 85 000 nt) Kishkinev et al. 2012

Esperimenti di orientamento magnetico: metodi Applicazione di magneti Albatros urlatore Diomedea exulans Tartaruga verde Chelonia mydas

Esperimenti di orientamento magnetico: metodi Uso di bobine magnetiche Tartaruga liuto (Dermochelys coriacea) 1.3 m Lohmann 1991

Esperimenti di orientamento magnetico: metodi Uso di bobine magnetiche 4.1 m Tartaruga verde Chelonia mydas Lohmann et al. 2004

Esperimenti di orientamento magnetico Tartaruga liuto (Dermochelys coriacea) Lohmann 1991

Esperimenti di orientamento magnetico Pettirosso (Erithacus rubecula) Campo magnetico locale Campo magnetico ruotato di 120 Wiltschko & Wiltschko 1999

Il recettore magnetico e i sistemi di trasduzione Tre principali meccanismi di trasduzione degli stimoli magnetici (magnetorecezione) proposti: 1. Magnetorecezione per induzione 2. Magnetorecezione chimica (tramite fotopigmenti) 3. Magnetorecezione tramite particelle ferromagnetiche (magnetite)

Magnetorecezione per induzione Informazioni magnetiche percepite da elettrorecettori che rilevano il campo elettrico indotto dal movimento dell animale in un campo magnetico esterno Il campo elettrico indotto dipende dalla direzione ed intensità del campo magnetico attraversato e dal rapporto spaziale tra la direzione di movimento e quella del campo magnetico terrestre (zero per movimenti allineati con linee di forza magnetiche, è massimo a 90 dalle esse). La risposta rilevata dagli elettrorecettori dipende quindi dalla direzione di movimento: sistema adatto per percepire direzioni (magnetiche) di movimento (prestazioni di bussola). Possibile solo in acqua salata, complicato dalla presenza di campi elettrici disturbanti prodotti da flussi di acqua non derivanti da moto (correnti).

Magnetorecezione per induzione: evidenze Presenza di elettrorecettori specifici nelle ampolle del Lorenzini negli Elasmobranchi

Magnetorecezione per induzione: evidenze Presenza di elettrorecettori specifici nelle ampolle del Lorenzini negli Elasmobranchi Kalmijn 1978

Magnetorecezione per induzione: evidenze Presenza di elettrorecettori specifici nelle ampolle del Lorenzini negli Elasmobranchi Questi apparati rilevatori di campi elettrici, che servono per rilevare prede (in base al campo elettrico prodotto), misurano gradienti di voltaggio in senso dorso- ventrale, quindi sul piano verticale. Kalmijn 1978

Magnetorecezione per induzione: evidenze Presenza di elettrorecettori specifici nelle ampolle del Lorenzini negli Elasmobranchi Questi apparati rilevatori di campi elettrici, che servono per rilevare prede (in base al campo elettrico prodotto), misurano gradienti di voltaggio in senso dorso- ventrale, quindi sul piano verticale. Le ampolle hanno sensibilità elevate (anche 0.010 µv/cm), che sono tali da poter rilevare correnti indotte anche da movimenti non particolarmente veloci (pochi m/s). Scarse prove sperimentali dell uso di questi elettrorecettori per rilevare informazioni magnetiche direzionali: in acquario rilevata capacità di condizionamento magnetico e di assunzioni di specifiche direzioni nello spazio, ma interpretazione dei dati controversa e non univoca.

Magnetorecezione chimica Possibilità che il decorso e i prodotti di reazioni chimiche a carico di (macro)molecole biologiche possano dipendere da campi deboli come il CMT, e che questo determini (almeno) una prima trasduzione dello stimolo magnetico. Situazione particolarmente adatta nelle reazioni che coinvolgono la formazione di radicali liberi: Radical Pair Mechanism.

Magnetorecezione chimica: il Radical Pair Mechanism Campi magnetici (anche deboli) Ritz et al. 2000 Trasduzione dello stimolo magnetico (poi amplificata)

Magnetorecezione chimica: il Radical Pair Mechanism Campi magnetici Ritz et al. 2010

Magnetorecezione chimica: il Radical Pair Mechanism nei fotorecettori Reazioni adatte per un meccanismo siffatto devono possedere determinate caratteristiche (range specifico di durata, molecole con pochi ioni idrogeno, ecc..). Importanza della disposizione ordinata e rigida delle molecole interessate all interno delle cellule e delle cellule stesse, per garantire la massima efficienza del sistema (anche se il processo può funzionare anche con recettori disposti casualmente). Queste condizioni sono tipicamente realizzate nelle reazioni a seguito dell assorbimento di luce, per cui soprattutto nei fotorecettori retinici.

Magnetorecezione chimica: il Radical Pair Mechanism nei fotorecettori Fotoeccitazione Campi magnetici (anche deboli) Ritz et al. 2000 Trasduzione dello stimolo magnetico (poi amplificata)

Magnetorecezione chimica: il Radical Pair Mechanism nei fotorecettori Ipotesi di magnetorecezione a carico di fotopigmenti eccitati proposta più volte (Hong, Leask, Edmonds); attualmente il meccanismo più accreditato è quello elaborato da Ritz e collaboratori (Univ. Illinois, USA). Proposto ruolo dei criptocromi, molecole fotorecettoriali note nei Mammiferi, le cui proprietà sarebbero ottimali per fornire informazioni direzionali (bussolari) tramite RPM. I prodotti delle reazioni con i radicali nei fotopigmenti differirebbero in differenti parti della retina, producendo così differenti pattern visivi al variare dell orientamento dell animale ( vision-based magnetic compass ). Questi fenomeni sarebbero poi processati dalle normali vie sensoriali visive.

Magnetorecezione chimica: il Radical Pair Mechanism nei fotorecettori Campi geomagnetico in Illinois (USA) 50 µt; incl. 68 Ritz et al. 2000

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Esperimenti di orientamento con luci a differenti lunghezze d onda

Esperimenti di orientamento magnetico Pettirosso (Erithacus rubecula) Campo magnetico locale Campo magnetico ruotato di 120 Wiltschko & Wiltschko 1999

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Effetti di luci a differenti lunghezze d onda sull orientamento dei Passeriformi migratori Visible light Pettirosso (Erithacus rubecula) Wiltschko et al. 2010

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Effetto dell intensità della luce sull orientamento dei Passeriformi migratori Test a differenti intensità di luce (misurate in quanti/m 2 /s) Pettirosso (Erithacus rubecula) Luce verde a 565 nm Wiltschko & Wiltschko 2005

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Orientamento dei pettirossi al buio Pettirosso (Erithacus rubecula) Luce verde Buio Stapput et al. 2008

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Casi di corretto orientamento magnetico al buio Tartaruga liuto (Dermochelys coriacea) Lohmann 1991

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Effetti di campi oscillanti a radio frequenze sull orientamento dei Passeriformi migratori Campo RF a 1.315 MHz (in luce verde a 565 nm) Pettirosso (Erithacus rubecula) Thalau et al. 2005

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Ruolo dei Criptocromi I criptocromi sono una classe di fotopigmenti nel range blu-verde che possono formare radicali liberi dopo fotoeccitazione (le rodopsine non lo fanno) I criptocromi sono quindi le uniche molecole fotoeccitabili presenti nella retina dei Vertebrati che possono soddisfare i requisiti previsti dal RPM. Tramite tecniche di biologia molecolare l espressione dei geni per i criptocromi (4 tipi) è stata rilevata nella retina del beccafico, nel gallo domestico e nel pettirosso. Sono espressi soprattutto in coni sensibili al luci violette o ultraviolette, localizzati vicino ai dischi di membrana.

Ruolo dei criptocromi nella magnetorecezione Orientamento magnetico notturno Beccafico (Sylvia borin) Espressione dei criptocromi nella retina Strato nucleare esterno Strato plexiforme esterno Strato nucleare interno Displaced ganglion cells Strato plexiforme interno Strato cellule gangliari Mouritsen et al. 2004

Ruolo dei criptocromi nella magnetorecezione Displaced ganglion cells Strati nella retina dei Vertebrati

Ruolo dei criptocromi nella magnetorecezione Ruolo dei Criptocromi Strato nucleare esterno Strato plexiforme esterno Strato nucleare interno Displaced ganglion cells Strato plexiforme interno Strato cellule gangliari Mouritsen et al. 2004

Ruolo dei criptocromi nella magnetorecezione Ruolo dei Criptocromi Strato nucleare esterno Strato plexiforme esterno Strato nucleare interno Displaced ganglion cells Strato plexiforme interno Strato cellule gangliari Strato nucleare esterno Strato plexiforme esterno Strato nucleare interno Strato plexiforme interno Strato cellule gangliari Mouritsen et al. 2004

Ruolo dei criptocromi nella magnetorecezione Displaced ganglion cells Mouritsen et al. 2004

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Ruolo dei Criptocromi I criptocromi sono una classe di fotopigmenti nel range blu-verde che sembrano poter formare radicali liberi dopo fotoeccitazione (le rodopsine non lo fanno) I criptocromi sono quindi le uniche molecole fotoeccitabili presenti nella retina dei Vertebrati che possono soddisfare i requisiti previsti dal RPM. Tramite tecniche di biologia molecolare l espressione dei geni per i criptocromi (4 tipi) è stata rilevata nella retina del beccafico, nel gallo domestico e nel pettirosso. Sono espressi soprattutto in coni sensibili al luci violette o ultraviolette, localizzati vicino ai dischi di membrana. Nel beccafico i prodotti di questi geni sono espressi durante l orientamento magnetico notturno e sono localizzati nel citosol delle cellule gangliari retiniche. Le cellule gangliari retiniche (dislocate o meno) che esprimono i criptocromi nei migratori sono quelle attive di notte, durante l orientamento magnetico migratorio.

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Ruolo del Cluster N Le cellule gangliari retiniche sono in connessione con un area telencefalica (Cluster N, parte del Wulst visivo), che si attiva durante la visione notturna. Mouritsen et al. 2005; Heyers et al. 2007

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Ruolo del Cluster N Pettirosso (Erithacus rubecula) Zapka et al. 2009

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Ruolo dei Criptocromi Drosophila melanogaster Gegear et al. 2008

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Ruolo dei Criptocromi Dopo training Risposta spontanea Drosophila melanogaster Gegear et al. 2008

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Ruolo dei Criptocromi Drosophila melanogaster Wild-type Omozigoti (Cry inattivo) Eterozigoti (Cry attivo) Gegear et al. 2008

Magnetorecezione tramite particelle ferromagnetiche

Magnetorecezione tramite particelle ferromagnetiche Ruolo della magnetite (Fe 3 O 4 ) biogenica Magnetite a dominio singolo (magneti permanenti) cristalli di 50-70 nm, spesso in catene possono ruotare ed allinearsi con i campi esterni Batterio magnetotattico con catene di magnetite a dominio singolo. Catene di magnetite a dominio singolo della regione etmoidale di un salmone.

Magnetorecezione tramite particelle ferromagnetiche Ruolo della magnetite (Fe 3 O 4 ) biogenica Magnetite a dominio singolo (magneti permanenti) cristalli di 50-70 nm, spesso in catene possono ruotare ed allinearsi con i campi esterni Magnetite superparamagnetica (senza momento permanente) particelle più piccole si possono allineare con i campi esterni senza che la particella debba muoversi Campo assente

Magnetorecezione tramite particelle ferromagnetiche Ipotetici meccanismi di trasduzione tramite magnetite biogenica Tramite catene di magnetite a dominio singolo Canali ionici Campo magnetico Canali ionici Walker et al. 2002

Magnetorecezione tramite particelle ferromagnetiche Ipotetici meccanismi di trasduzione tramite magnetite biogenica Tramite catene di magnetite a dominio singolo Filamenti del citoscheletro Canali ionici Campo magnetico Walker 2008

Magnetorecezione tramite particelle ferromagnetiche Ipotetici meccanismi di trasduzione tramite magnetite biogenica Tramite clusters di magnetite superparamagnetica Canali ionici Canali ionici B=0 Clusters di magnetite Clusters di magnetite Campo magnetico Davila et al. 2003

Magnetorecezione tramite particelle ferromagnetiche Questi modelli (puramente congetturali) hanno due caratteristiche in comune: 1) essendo formati da elementi subcellulari, questi trasduttori magnetici possono essere anche minuscoli e quindi difficili da localizzare ("truly, a magnetic needle in the haystack Kirschvink et al. 2002) 2) questi sistemi possono percepire variazioni (potenzialmente anche minute) nella direzione e/o nell'intensità del CMT. Entrambi i tipi di magnetite sembrano quindi essere in grado di rilevare non solo la direzione del CMT (prestazioni di bussola magnetica) ma anche variazioni spaziali del campo stesso (prestazioni di mappa magnetica).

Localizzazione della magnetite biogenica Magnetite a dominio singolo nelle lamelle olfattive della trota iridea Cellula con magnetite (a dominio singolo) Lamelle olfattive Trota iridea Oncorynchus mykiss ros V (branca del trigemino) Epitelio olfattivo Capsula nasale Lamina basale Nervo olfattivo Walker et al. 1997; Diebel et al. 2000

Localizzazione della magnetite biogenica Magnetite superparamagnetica nel colombo Colombo viaggiatore Columba livia Membrana Aggregato di magnetite Piastrine Cristalli di magnetite superparamagnetica Fleissner et al. 2003, 2007

Localizzazione della magnetite biogenica Magnetite superparamagnetica nel colombo Colombo viaggiatore Columba livia Modello dell aspetto della terminazione nervosa (branca oftalmica del trigemino) Piastrine Aggregati Fleissner et al. 2003, 2007

Localizzazione della magnetite biogenica Magnetite superparamagnetica nel colombo Colombo viaggiatore Columba livia Orientamento preferenziale dei dendriti Simile disposizione rilevata anche nel pettirosso, nel beccafico e persino nel gallo domestico Fleissner et al. 2007

Localizzazione della magnetite biogenica Magnetite superparamagnetica nel colombo Colombo viaggiatore Columba livia Treiber et al. 2012 Here we show that clusters of iron-rich cells in the rostro-medial upper beak of the pigeon Columbia livia are macrophages, not Orientamento preferenziale magnetosensitive dei dendriti neurons. Our systematic characterization of the pigeon upper beak identified Simile disposizione rilevata anche nel pettirosso, nel beccafico e persino iron-rich cells in the stratum laxum of the subepidermis, the basal nel gallo domestico region of the respiratory epithelium and the apex of feather follicles. Fleissner et al. 2007

Localizzazione della magnetite biogenica Magnetite superparamagnetica nel colombo? Colombo viaggiatore Columba livia Treiber et al. 2012

Esperimenti di Pulse magnetization Magnetic pulse: intensità 0.5 T (500,000,000 nt), durata 3-5 ms Australian Silvereys Zosterops lateralis

Esperimenti di Pulse magnetization Magnetic pulse: intensità 0.5 T (500,000,000 nt), durata 3-5 ms Australian Silvereys Zosterops lateralis Controlli Pulsed Munro et al. 1997

Esperimenti di Pulse magnetization Magnetic pulse: intensità 0.04 T (40,000,000 nt), durata 4 ms Tartaruga comune Caretta caretta Controlli Pulsed Irwin & Lohmann 2005

Esperimenti di Pulse magnetization Magnetic pulse: intensità 0.1 T (100,000,000 nt), durata 0.1 ms Rilevazione orientamento tramite radio-tracking VHF Controlli Pulsed (perpendicular) Pettirosso (Erithacus rubecula) Cannaiola (Acrocephalus scirpaceus) Holland 2010

Esperimenti di condizionamento magnetico (ca. 100 000 nt) Colombo viaggiatore Columba livia Mora et al. 2004

Ruolo della branca oftalmica del nervo trigemino Esperimenti di condizionamento magnetico Sezione della branca oftalmica del trigemino Mora et al. 2004 Colombo viaggiatore Columba livia

Ruolo della branca oftalmica del nervo trigemino Esperimenti di condizionamento magnetico Abolizione della capacità discriminativa degli stimoli magnetici dopo sezione della branca oftalmica Mora et al. 2004 Colombo viaggiatore Columba livia

Ruolo della branca oftalmica del nervo trigemino Esperimenti di navigazione nel colombo Sezione della branca oftalmica del trigemino

Ruolo della branca oftalmica del nervo trigemino Esperimenti di navigazione nel colombo: orientamento iniziale Colombo viaggiatore Columba livia Falsi operati Resezione della branca oftalmica Gagliardo et al. 2009

Ruolo della branca oftalmica del nervo trigemino Esperimenti di navigazione nel colombo: prestazioni di homing Kruskal-Wallis P<0.002 Gagliardo et al. 2009

Ruolo della branca oftalmica del nervo trigemino Esperimenti nel pettirosso Pettirosso Erithacus rubecula Zapka et al. 2009

Evidenze di magnetorecezione tramite fotorecettori Ruolo del Cluster N Pettirosso (Erithacus rubecula) Zapka et al. 2009

Magnetorecezione tramite particelle ferromagnetiche Riassunto delle evidenze sperimentali 1) Effetto della pulse magnetization in alcuni casi (silvereyes, passeriformi migratori, piccoli di tartaruga; non nel colombo). Ruolo nella navigazione magnetica? 2) Indicazioni contrastanti sul ruolo della branca oftalmica del nervo trigemino: Evidenze morfologiche/ultrastrutturali non confermate Lesioni della branca non sempre producono effetto Effetti derivanti dall anestesia dell epidermide del becco di interpretazione non chiara Risultati elettrofisiologici contrastanti e/o difficili da replicare

Meccanismi di magnetorecezione: riassunto Meccanismo Caratteristiche funzionamento Informazioni fornibili Evidenze sperimentali Strutture coinvolte Per induzione Rilevazione dei campi elettrici derivanti dal movimento nel campo magnetico Direzionali, a polarità o inclinazione Presenza di elettrorecettori sensibili negli Elasmoranchi Ampolle del Lorenzini Chimica tramite fotorecettori Modifiche nei prodotti di reazioni chimiche con radicali liberi indotte da fotoeccitazione Direzionali, a inclinazione Effetti sull orientamento di variazioni nella qualità e intensità della luce; espressione dei criptocromi nella retina durante l orientamento magnetico Retina (cellule gangliari), vie visive (nbor, tetto ottico) Tramite particelle di magnetite Allineamento delle particelle con campi esterni; influenza su canali ionici meccanosensibili Direzionali (polarità o inclinazione) e di intensità magnetica Presenza di magnetite a dominio singolo o superparamagnetica in varie strutture, anche nervose; effetto dei magnetic pulse sull orientamento. Regione etmoidale - becco; ramo oftalmico del trigemino