Navigare senza strumenti: stelle, campo magnetico, mappe interne

Percorso: Algoritmi Animali
Modulo 3

Prerequisiti:
Modulo 2
Guida alla lettura
Disclaimer

Introduzione: partire di notte, da soli, senza aver mai fatto la strada

La berta minore (Puffinus puffinus) nidifica su isolotti al largo del Galles e della Scozia e sverna sulle coste del Sud America. Gli adulti partono verso sud prima dei giovani dell’anno. I giovani restano qualche settimana in più, poi si staccano dalla scogliera e attraversano l’Atlantico da soli, senza aver mai fatto la strada e senza nessuno da seguire. Non è un caso isolato: è la norma fra gli uccelli migratori notturni, che viaggiano individualmente e non in stormo.

Una pittima minore (Limosa lapponica baueri) con un trasmettitore satellitare ha percorso circa 11.500 chilometri dall’Alaska alla Nuova Zelanda senza mai posarsi, in otto giorni di volo continuo. Sopra l’oceano aperto un errore di pochi gradi al decollo significa mancare l’arcipelago di centinaia di chilometri.

Nel modulo 1 abbiamo definito che cos’è un istinto complesso; nel modulo 2 abbiamo seguito una migrazione che nessun individuo completa. Questo modulo entra nella parte tecnica: come si fa a sapere dove si è e dove bisogna andare senza strumenti e senza istruzioni. Vedremo che cosa gli esperimenti hanno dimostrato, che cosa resta incerto — e nella magnetorecezione resta incerto molto — e perché il quadro pone un problema alla spiegazione gradualista. Un’avvertenza valida per tutto il percorso: il Disegno Intelligente non nega la discendenza comune, e nulla di quanto segue è un argomento contro di essa. Il problema riguarda il meccanismo.

1. Orientarsi non è navigare

Orientarsi significa tenere una direzione. Se so dov’è il nord e devo andare a sud-ovest posso partire senza sapere dove mi trovo: mi bastano un riferimento direzionale — sole, stelle, campo magnetico — e un angolo. Si chiama navigazione con bussola; se la rotta è una sequenza di tratti con direzioni e durate diverse, navigazione vettoriale.

Navigare davvero significa sapere dove si è rispetto a dove si vuole andare. È una capacità di ordine diverso: implica poter essere presi, portati in un luogo mai visto, e da lì calcolare una rotta corretta. È quello che facciamo con un ricevitore satellitare, ed è ciò che i biologi chiamano vera navigazione. James e Carol Gould, in Nature’s Compass, elencano sei strategie — tassìe, punti di riferimento, orientamento con bussola, navigazione vettoriale, calcolo della posizione stimata, vera navigazione — e solo l’ultima richiede una mappa.

La differenza è strutturale. Con bussola e rotta ereditata l’errore si accumula: ogni deriva per il vento, ogni imprecisione nella misura si somma alle precedenti, e la precisione degrada con la lunghezza del viaggio. Con una mappa no: se in qualunque momento si può ridefinire la propria posizione, l’errore si azzera a ogni misura e la distanza smette di contare. È la differenza fra un sistema inerziale, che deriva, e un ricevitore satellitare, che non deriva. Una mappa, in senso tecnico, assegna a ogni punto due coordinate indipendenti, dalle quali si ricavano rotta e distanza fra due luoghi qualsiasi. Il dato da spiegare è che diversi animali possiedono entrambe le cose: bussole ridondanti e, sopra di esse, qualcosa che funziona come mappa.

2. La bussola stellare: che cosa impara un uccello guardando il cielo

Il cielo notturno ruota: alle nostre latitudini tutte le stelle descrivono cerchi attorno al polo celeste nord, e la direzione di quel punto sull’orizzonte è il nord geografico. È un riferimento eccellente perché non dipende dall’ora. C’è però un problema di identificazione: la Stella Polare non coincide con il polo — ne dista circa 0,7 gradi — e per la precessione dell’asse terrestre la sua posizione cambia nel corso dei secoli, sicché un animale che si affidasse a “quella stella lì” avrebbe un riferimento approssimato e, su scale evolutive, sbagliato. Nell’emisfero australe non c’è nemmeno una stella polare: solo una regione vuota attorno a cui ruota, fra le altre, la Croce del Sud.

Gli esperimenti di Emlen

Il problema fu chiarito da Stephen T. Emlen negli anni Sessanta, sullo zigolo indaco (Passerina cyanea), un piccolo passeriforme migratore nordamericano. Il metodo è elegante: una gabbia conica — l’imbuto di Emlen — con il fondo inchiostrato e le pareti di carta assorbente. L’uccello, che in periodo migratorio è irrequieto di notte e tenta di saltare via, lascia sulla carta una distribuzione di impronte da cui si legge la direzione preferita.

Portati in un planetario, gli zigoli si orientavano nella direzione stagionalmente corretta — sud in autunno, nord in primavera — e ruotando di 180 gradi il cielo artificiale ruotavano con esso.

Un cielo che ruota attorno a Betelgeuse

Restava la domanda: come fa un uccello nato in primavera a sapere dove sta il polo celeste? Nel 1970 Emlen pubblicò su Science l’esperimento che risponde. Allevò a mano zigoli indaco in tre gruppi: il primo non vide mai le stelle; il secondo fu esposto, nel primo periodo di vita, a un cielo di planetario che ruotava normalmente attorno alla Stella Polare; il terzo a un cielo alterato, che ruotava attorno a Betelgeuse, stella brillante di Orione lontanissima dal polo reale.

In autunno i risultati furono netti. Il primo gruppo non mostrò alcun orientamento stellare, il secondo si orientò correttamente allontanandosi dalla Stella Polare, il terzo si allontanò da Betelgeuse: aveva trattato come “nord” il punto attorno a cui aveva visto ruotare il proprio cielo.

Apprendimento guidato da un programma innato

La lettura affrettata è: “ecco, la bussola stellare si impara”. Ma ciò che viene appreso è una sola informazione — dove si trova l’asse di rotazione — e tutto il resto dev’essere già presente prima della prima notte di osservazione:

• la regola che dice che esiste un asse di rotazione da individuare, e che è quello l’elemento rilevante: un cielo contiene migliaia di stelle e nulla in esso è etichettato come importante;
• il criterio di estrazione, perché identificare il punto stazionario richiede confrontare configurazioni stellari a distanza di ore e riconoscere che ruotano attorno a un centro comune;
• la finestra temporale in cui l’apprendimento è possibile, cioè il primo periodo di vita prima della migrazione;
• la regola d’uso stagionale — in autunno allontanarsi dall’asse, in primavera avvicinarsi — che nel cielo non è scritta;
• l’angolo di rotta rispetto al nord, che varia da popolazione a popolazione e che i giovani possiedono senza averlo mai usato.

In termini informatici, l’uccello non impara il programma: impara un parametro che il programma gli dice di andare a cercare. Il programma che specifica che cosa imparare, come, quando e che cosa farne non è appreso. Cassell chiama questo schema apprendimento programmato. È il punto in cui la discussione “innato contro appreso” di solito si arena: la domanda giusta non è se ci sia apprendimento, ma chi ha scritto le istruzioni per apprendere.

3. La bussola solare e il problema dell’ora

Di giorno il riferimento è il sole, e la difficoltà è opposta: è facilissimo da vedere e inservibile come indicatore di direzione, perché si sposta. L’angolo fra il nord vero e la proiezione del sole sull’orizzonte — l’azimut — cambia di continuo. Come scrivono i Gould a proposito della monarca, una farfalla diretta a sud deve “dirigersi a destra del sole alle nove del mattino, verso il sole a mezzogiorno, ben a sinistra del sole alle tre del pomeriggio”. Usare il sole come bussola significa sottrarre continuamente il suo spostamento, e serve quindi un orologio interno.

Non basta: il tasso di variazione dell’azimut dipende dalla latitudine e dalla stagione, e un fattore fisso di quindici gradi all’ora produrrebbe errori grossolani. Formiche e api possiedono un’approssimazione innata della curva — azimut quasi costante al mattino, rotazione rapida di circa 180 gradi attorno a mezzogiorno, di nuovo quasi costante nel pomeriggio — e su questa base grezza innestano una stima più accurata, appresa osservando il sole alla latitudine locale: di nuovo un modulo appreso dentro un programma innato. Che la compensazione sia reale lo dimostra l’esperimento di sfasamento dell’orologio: tenuto per giorni in un ciclo luce-buio anticipato e poi liberato, l’animale parte sbagliando esattamente dell’angolo corrispondente allo sfasamento imposto, cioè applica la correzione giusta all’ora sbagliata.

Il sole resta utilizzabile anche quando non è visibile, perché la luce che attraversa l’atmosfera si polarizza e dalla configurazione di polarizzazione di una porzione di cielo si deduce dove il sole sia. Negli uccelli questo indizio serve a un compito diverso: Rachel Muheim, John Phillips e Susanne Åkesson hanno mostrato su Science nel 2006 che i passeriformi migratori lo usano all’alba e al tramonto per ricalibrare la bussola magnetica, ignorandolo vicino allo zenit dove diventa ambiguo. Mediare le due misure di massima polarizzazione e scartare quelle di mezzogiorno è quasi ottimale: è una politica di fusione sensoriale, non un riflesso.

4. Il senso magnetico: due candidati, prove diseguali

Il campo magnetico terrestre ha un vantaggio decisivo: c’è sempre, di notte, con le nuvole, sott’acqua, sottoterra. Ha però un’intensità piccolissima, fra 25 e 65 microtesla secondo la latitudine, e non produce alcun effetto fisiologico ovvio da cui partire. Che molti animali lo percepiscano è accertato oltre ragionevole dubbio: batteri, molluschi, crostacei, insetti e tutti i principali gruppi di vertebrati. Ma, come rileva Cassell, “i meccanismi esatti di questo senso magnetico sono ancora poco conosciuti”. Va detto subito: questo è un campo aperto, in cui negli ultimi vent’anni ipotesi molto accreditate sono state smontate, e nulla di quanto segue va trattato come definitivo.

La magnetite

Il primo candidato è meccanico. La magnetite (Fe₃O₄) è un ossido di ferro fortemente magnetico, trovato in farfalle monarca, aragoste, termiti e, fra i vertebrati, in uccelli, salmoni, delfini e tartarughe marine. Nei tessuti si presenta in cristalli a dominio singolo di dimensioni nanometriche, minuscoli magneti permanenti che tendono ad allinearsi al campo terrestre; il torcente che ne risulta potrebbe aprire o chiudere canali ionici in una cellula sensoriale. Il punto di forza è quantitativo: come osserva James Gould, i sensori a magnetite sono gli unici candidati con sensibilità sicuramente sufficiente, perché il momento magnetico di un cristallo a dominio singolo è abbastanza grande da superare l’agitazione termica. Il punto debole è che non si è ancora identificata con certezza una cellula recettrice a magnetite in un vertebrato.

Va segnalato un episodio istruttivo. Per anni si ritenne che i recettori del piccione fossero gruppi di cellule ricche di ferro nel becco superiore. Nel 2012 Christoph Treiber e colleghi pubblicarono su Nature una ricostruzione tridimensionale di quelle strutture: erano macrofagi, cellule immunitarie che accumulano ferro, non neuroni sensoriali. Un pilastro dell’ipotesi magnetite è caduto così. Chi argomenta per il Disegno Intelligente deve tenerne conto due volte: perché è onesto, e perché un argomento costruito su ciò che oggi non si sa è un argomento che le scoperte di domani possono demolire.

Le coppie radicaliche nel criptocromo

Il secondo candidato è chimico-quantistico. Il criptocromo è una proteina fotorecettrice sensibile alla luce blu, presente nei vertebrati anche nei fotorecettori della retina. Quando un fotone la colpisce, un elettrone viene trasferito da una parte all’altra della molecola e si formano due centri con un elettrone spaiato ciascuno: una coppia radicalica. I due spin sono inizialmente correlati, e la coppia oscilla fra due stati — singoletto e tripletto — che portano a prodotti chimici diversi. Un campo magnetico esterno, anche debolissimo, modifica la velocità dell’oscillazione e quindi la proporzione dei prodotti di reazione; poiché l’effetto dipende dall’angolo fra campo e molecola, e le molecole sono ordinate nella retina, la resa varia a seconda di dove l’uccello guarda. La proposta fu formulata nel 2000 da Thorsten Ritz, Salih Adem e Klaus Schulten.

Le prove sono di quattro tipi. La bussola magnetica degli uccelli dipende dalla luce: funziona sotto luce blu-verde e non sotto luce rossa, come richiede il modello a coppie radicaliche e non la magnetite. È inoltre una bussola di inclinazione, non di polarità: Wolfgang e Roswitha Wiltschko hanno mostrato che gli uccelli non distinguono nord da sud, ma “verso il polo” da “verso l’equatore”, leggendo l’angolo fra il vettore campo e l’orizzonte. Il dato più specifico è che campi oscillanti a radiofrequenza estremamente deboli disorientano gli uccelli: campi dell’ordine dei megahertz e di intensità molto inferiore a quella del campo terrestre non avrebbero effetto su un sensore a magnetite, ma interferiscono con la dinamica di spin di una coppia radicalica. Infine il candidato molecolare è stato individuato: Anja Günther e colleghi hanno mostrato nel 2018 che il criptocromo 4 del pettirosso europeo è espresso nei coni doppi della retina con un andamento stagionale che segue la migrazione, e nel 2021 un lavoro su Nature ha dimostrato in vitro che la proteina purificata è magneticamente sensibile, più di quella di specie non migratrici.

Il lato debole va detto con la stessa precisione. La sensibilità del criptocromo 4 è stata dimostrata in provetta a campi più intensi di quello terrestre; non è stato mostrato che la proteina isolata risponda a 50 microtesla, né che il meccanismo funzioni in vivo. Mancano il partner redox che nella cellula chiuderebbe il ciclo e la via nervosa che porterebbe il segnale al cervello. E i due candidati potrebbero coesistere: nulla vieta una bussola a coppie radicaliche nella retina e un sensore di intensità a magnetite altrove.

Il problema del rumore termico

Qui sta la difficoltà fisica che rende la faccenda notevole. L’energia di interazione fra lo spin di un singolo elettrone e un campo di 50 microtesla è dell’ordine di 10^-27 joule; l’energia termica media a temperatura corporea è dell’ordine di 4 × 10^-21 joule. Il rapporto è di circa un decimilionesimo: un sensore che rilevasse il campo terrestre spostando qualcosa contro l’agitazione termica sarebbe sommerso dal rumore di un fattore dieci milioni.

La magnetite aggira il problema per accumulazione, perché un cristallo a dominio singolo contiene milioni di atomi allineati. Le coppie radicaliche lo aggirano giocando non sulle energie ma sui tempi: il campo non deve spostare nulla, deve solo influenzare la velocità con cui gli spin oscillano nella finestra brevissima in cui la coppia esiste prima di reagire, e poiché il sistema non è all’equilibrio termico il criterio dell’energia non si applica. Perché funzioni, però, la coerenza di spin deve durare abbastanza: un gruppo di fisici guidato da Erik Gauger stimò nel 2011, dai dati comportamentali, che durasse dell’ordine di un centinaio di microsecondi, più a lungo di quanto si ottenga nei migliori sistemi molecolari costruiti in laboratorio. È una deduzione da un modello, non una misura diretta, ma l’ordine di grandezza del problema resta.

5. La mappa: gli esperimenti di spostamento

Le bussole sono il dato più facile. La mappa è il più difficile. Il modo per distinguerle è semplice: si prende l’animale in migrazione, lo si sposta lateralmente di centinaia o migliaia di chilometri, lo si libera e si guarda dove va. Se ha solo bussola e rotta ereditata riprenderà la stessa direzione, arrivando in un punto spostato parallelamente. Se ha una mappa, correggerà.

L’esperimento fondativo è dell’ornitologo olandese Albert Perdeck, 1958. Catturò e inanellò all’Aia decine di migliaia di storni (Sturnus vulgaris) in migrazione autunnale — oltre undicimila entrarono nella parte principale dello studio — li trasportò in aereo in Svizzera, circa seicento chilometri a sud-est della loro rotta normale verso l’Inghilterra e il nord della Francia, e li liberò. I giovani al primo viaggio ripresero la direzione originaria, verso ovest-sud-ovest, e furono ritrovati nel sud della Francia e in Spagna, dove gli storni olandesi non svernano: avevano applicato correttamente la rotta ereditata a un punto di partenza sbagliato. Gli adulti corressero, puntando a nord-ovest, e raggiunsero i normali quartieri di svernamento. Il dato va letto in entrambe le direzioni: i giovani non hanno una mappa, gli adulti sì, e l’hanno acquisita in un solo viaggio.

Si potrebbe obiettare che gli adulti fossero in territorio noto. Nel 2007 Kasper Thorup e colleghi hanno affrontato l’obiezione direttamente: catturarono passeri dalla corona bianca (Zonotrichia leucophrys gambelii) in migrazione nello stato di Washington e li trasportarono a Princeton, nel New Jersey, circa tremilasettecento chilometri a est, fuori dall’areale della sottospecie, in una regione dove nessuno di quegli uccelli era mai stato; poi li seguirono con radiotrasmettitori e aerei. Gli adulti si diressero a ovest-sud-ovest, verso la loro rotta normale: avevano corretto. I giovani proseguirono verso sud, come previsto dal modello vettoriale.

Questo è il dato più difficile. Un animale che, portato in un luogo mai visto, calcola una correzione nella direzione giusta sta usando tre elementi congiunti: una misura locale di almeno due grandezze geograficamente variabili, un valore-obiettivo memorizzato con cui confrontarla, e una regola che converte la differenza in una rotta. Non è una bussola migliorata: è un’altra categoria di dispositivo. Delle prestazioni si può dare una misura: nelle berte minori l’errore di rotta è di 0,006 gradi per chilometro, che Cassell stima circa dieci volte migliore di quello di un sistema inerziale di un aereo di linea, e soprattutto non cresce con la distanza — la firma di una mappa. Su che cosa la mappa si basi resta però aperto: nei piccioni sono stati chiamati in causa campo magnetico, gradienti olfattivi e infrasuoni, con evidenza contrastante.

6. Le tartarughe marine e la spiaggia natale

La tartaruga caretta (Caretta caretta) nasce di notte da un nido interrato in una spiaggia sabbiosa — per la popolazione atlantica occidentale, tipicamente sulla costa orientale della Florida. Appena schiusa raggiunge l’acqua orientandosi verso il riflesso della luce lunare e stellare sul mare, ragione per cui i comuni costieri chiedono di spegnere le luci esterne nella stagione delle schiuse. Poi nuota verso est, entra nella Corrente del Golfo e passa i primi anni trasportata dal vortice dell’Atlantico settentrionale. Le femmine maturano a venti-trent’anni, e tornano a deporre sulla stessa spiaggia dove sono nate, che hanno lasciato da neonate e non hanno più rivisto.

Il gruppo di Kenneth Lohmann, all’Università della Carolina del Nord, usa una vasca circolare al centro di bobine che generano campi magnetici arbitrari: una tartaruga appena schiusa, legata a un braccio girevole che ne registra la direzione, nuota liberamente mentre il campo viene impostato su quello di un punto qualsiasi dell’oceano. Nell’esperimento più citato, a piccole tartarughe della Florida che non avevano mai visto il mare furono presentati i campi di due località alla stessa latitudine ma su sponde opposte dell’Atlantico, al largo di Porto Rico e presso Capo Verde. Nei due casi nuotarono in direzioni diverse, entrambe quelle che le avrebbero fatte procedere lungo il giro migratorio corretto. Non c’era esperienza da cui ricavarlo: la corrispondenza fra firma magnetica locale e rotta da tenere è già presente alla schiusa.

Il secondo risultato riguarda la mappa. Il campo terrestre varia con la latitudine in due parametri, intensità totale e angolo di inclinazione — quest’ultimo va da 90 gradi al polo nord magnetico, dove il campo punta verticalmente in basso, a zero all’equatore magnetico. Danno latitudine, non longitudine, perché con la longitudine il campo non varia in modo regolare. Nel 2011 Nathan Putman e colleghi hanno mostrato che le carette risolvono comunque il problema: nelle regioni che attraversano le combinazioni di intensità e inclinazione sono di fatto uniche, e le tartarughe le usano come coppia di coordinate — una mappa bicoordinata ottenuta dall’intersezione di due isolinee inclinate l’una rispetto all’altra. Per i Gould “il GPS magnetico è di gran lunga la spiegazione più soddisfacente”.

L’imprinting geomagnetico e i suoi problemi

Resta la domanda più difficile: come fa la tartaruga a sapere qual è la sua spiaggia? L’ipotesi corrente è l’imprinting geomagnetico: nelle prime ore di vita memorizzerebbe la firma magnetica del proprio tratto di costa, e da adulta cercherebbe il punto in cui quella firma si ripresenta. A sostegno, J. Roger Brothers e Lohmann hanno mostrato nel 2015 una correlazione fra la deriva secolare del campo lungo la costa della Florida e lo spostamento delle densità di nidificazione. L’ipotesi è elegante e ha un supporto reale, ma ha problemi seri.

• Il bersaglio si muove. Il polo nord magnetico si sposta di quindici-venticinque chilometri l’anno e le isolinee derivano di conseguenza. Fra la schiusa e il primo ritorno passano vent’anni o più: un valore memorizzato alla nascita e applicato alla lettera due decenni dopo non indica più la stessa spiaggia.
• La firma non è univoca: le combinazioni di intensità e inclinazione che identificano un tratto di costa possono ripresentarsi altrove.
• Non si sa dove sia la memoria. Non è stata identificata la struttura neurale che conserverebbe per vent’anni un valore acquisito nelle prime ore di vita, né il meccanismo di registrazione.
• Su scala geologica il riferimento sparisce. Il campo si è invertito venticinque volte negli ultimi cinque milioni di anni, l’ultima circa 780.000 anni fa, e durante la transizione l’intensità crolla quasi a zero.

7. Il confronto ingegneristico, fatto per bene

Cassell, che ha lavorato alla progettazione di sistemi di navigazione aeronautica, propone il confronto con l’ingegneria umana. È istruttivo se fatto con precisione, fuorviante se usato per fare effetto.

La latitudine in mare si misura con l’altezza della Stella Polare sull’orizzonte, ed è antica. La longitudine richiede invece di confrontare l’ora locale con quella di un meridiano di riferimento — un’ora vale quindici gradi — e quindi un orologio che tenga l’ora del porto di partenza per mesi su una nave in movimento: la soluzione arrivò solo nel 1759 con i cronometri di John Harrison, dopo che nel 1707 l’affondamento di quattro navi da guerra britanniche per un errore di posizione, con circa duemila morti, aveva spinto la Marina a istituire un premio con un obiettivo modesto, mezzo grado di longitudine, circa trenta miglia nautiche. L’umanità ha impiegato tre secoli e mezzo di sforzo tecnico deliberato per ottenere in mare la seconda coordinata che una tartaruga appena schiusa usa senza averla imparata.

Il metodo che più somiglia a quello degli animali senza mappa è la navigazione inerziale: giroscopi e accelerometri misurano rotazioni e accelerazioni, e integrandole si ricava la posizione a partire da quella iniziale — l’equivalente tecnico dell’integrazione del percorso che formiche del deserto e api usano per tornare al nido in linea retta dopo percorsi tortuosi. Le prestazioni si esprimono in deriva oraria: un sistema aeronautico di alta qualità accumula un errore dell’ordine di mezzo miglio nautico per ora. È poco, ma cresce senza limite: applicato alle quasi duecento ore di volo continuo della pittima minore significa un errore dell’ordine di un centinaio di miglia nautiche, quasi duecento chilometri. L’uccello arriva sull’arcipelago giusto. Quanto a massa ed energia, un’unità di riferimento inerziale d’aeroplano è un apparato dell’ordine della decina di chilogrammi che assorbe decine di watt, e non è autonoma: fa parte di un sistema con ricevitori radio, calcolatori, banche dati di rotte e una logica che sceglie momento per momento la sorgente da usare. Il sistema che elimina del tutto la deriva è quello satellitare, che per una posizione entro pochi metri richiede un’accuratezza temporale di circa venticinque nanosecondi, e quindi orologi atomici a bordo, correzioni relativistiche, una costellazione di una trentina di veicoli da oltre una tonnellata ciascuno e un segmento di controllo a terra. L’infrastruttura non sta sul mezzo che naviga: sta in orbita.

Un piovanello dal groppone bianco (Calidris fuscicollis) pesa circa quaranta grammi e migra fra l’Artico e la Patagonia, con la tratta verso nord senza scali. In quei quaranta grammi ci sono l’animale intero, il carburante sotto forma di grasso e un cervello che pesa una frazione di grammo; nessuna infrastruttura esterna, nessuna manutenzione, nessuna taratura di fabbrica, e il sistema funziona al primo tentativo. Il confronto onesto non è “l’animale è meglio del GPS”: un ricevitore satellitare dà una posizione assoluta in coordinate esplicite, ovunque sul pianeta, e nessun animale fa questo. Il confronto onesto è che per ottenere prestazioni funzionalmente paragonabili — arrivare sul bersaglio dopo migliaia di chilometri, con errore che non cresce con la distanza — l’ingegneria umana ha dovuto costruire due architetture diverse, ciascuna con decine di componenti eterogenei, tre secoli e mezzo di sviluppo cumulativo e, nel caso satellitare, un’infrastruttura orbitale. E per gli animali non abbiamo ancora una descrizione meccanicistica: come scriveva Kenneth Able dopo mezzo secolo di ricerca sul campo, “non riusciamo ancora a spiegare in modo dettagliato e meccanicistico come gli uccelli facciano ciò che sappiamo con certezza che fanno”.

8. Perché mezzo sistema di navigazione non porta a mezza destinazione

Un sistema di navigazione migratoria, ridotto ai suoi elementi minimi, comprende almeno cinque blocchi: i sensori, cioè fotorecettori sensibili alla polarizzazione, molecole o cristalli magneticamente sensibili e la loro disposizione ordinata nel tessuto; la trasduzione, cioè le vie che convertono lo stato del sensore in segnale nervoso e lo portano alla regione cerebrale competente — nel caso del criptocromo, l’anello mancante della catena esplicativa; l’elaborazione, con orologio interno, compensazione dell’azimut, fusione di indizi discordanti, ricalibrazione e calcolo della rotta; l’informazione di percorso, cioè direzione, durata di ciascun tratto e destinazione, che sono dati e non algoritmi e vanno ereditati come si eredita un file di mappa insieme al programma che lo legge; il programma fisiologico e motorio, con iperfagia pre-migratoria, accumulo di grasso, irrequietezza nella stagione giusta e soppressione dei comportamenti che interromperebbero il movimento.

Il punto è la congiunzione. Una bussola perfetta senza rotta ereditata indica il nord a un animale che non sa dove andare. Una rotta ereditata senza bussola è un numero senza riferimento. Entrambe senza programma fisiologico producono un uccello che parte con le riserve di un giorno per un volo di otto. Tutto il resto senza controllo stagionale produce una partenza a marzo verso i quartieri invernali. Ciascun componente, isolato, non è meno efficiente: è inutile. E un tratto costoso e inutile è, per la selezione naturale, svantaggioso.

Non è un requisito inventato dai sostenitori del Disegno Intelligente: è il criterio standard del gradualismo. Jerry Coyne, biologo evoluzionista dell’Università di Chicago, lo formula così: “La selezione naturale non può costruire alcuna caratteristica in cui i passaggi intermedi non conferiscano un vantaggio netto all’organismo”. Chi argomenta per l’origine graduale di un sistema di navigazione deve esibire una sequenza di stadi ciascuno dei quali sia, di per sé, vantaggioso.

Alla difficoltà logica si aggiunge quella genetica. I geni che costruiscono un fotorecettore non hanno relazione con quelli che regolano il deposito di grasso, né con quelli che fissano un angolo di rotta: servono cambiamenti coordinati in parti diverse del genoma, e la probabilità di ottenerli crolla esponenzialmente con il loro numero; come osserva il genetista Mark Kirkpatrick, i vincoli fra tratti correlati “vanificano la possibilità per la selezione di ottimizzare tutti i tratti contemporaneamente”. Il problema è riconosciuto anche dall’interno del paradigma: Francisco Pulido descrive il comportamento migratorio come un tratto con un “alto livello di integrazione tra i singoli tratti” e ammette che non è chiaro quali componenti si siano potute evolvere in modo indipendente, mentre Günter Wagner e Vincent Lynch osservano che il successo della genetica di popolazione ha messo in ombra la questione dell’innovazione, perché “era più gratificante calcolare la variazione dell’esistente, piuttosto che interrogarsi sull’origine dell’inedito”.

È lo stesso schema logico della complessità irriducibile molecolare, trasposto sul comportamento — con una differenza che rende il caso comportamentale più difficile, non meno: i comportamenti non fossilizzano, e qui non esiste nemmeno la possibilità teorica di trovare la sequenza intermedia nelle rocce.

9. Obiezioni

«I meccanismi sono in gran parte già identificati»

L’obiezione ha molto a suo favore. Sappiamo che la bussola magnetica degli uccelli è di inclinazione e dipende dalla luce, e che viene ricalibrata all’alba e al tramonto; conosciamo la bussola solare compensata nel tempo e quella stellare basata sull’asse di rotazione; abbiamo un candidato molecolare preciso, il criptocromo 4; abbiamo correlati neurali della risposta al vettore campo nel cervello del piccione, documentati da Le-Qing Wu e David Dickman su Science nel 2012; abbiamo una mappa magnetica bicoordinata dimostrata nelle tartarughe. È progresso reale, ottenuto con metodi rigorosi.

Ma identificare un sensore non è identificare un sistema: della catena criptocromo-cervello mancano il partner redox, la via nervosa e la dimostrazione in vivo all’intensità del campo terrestre; del senso della mappa nei piccioni non si conosce la base fisica; di come un cervello di formica esegua l’integrazione del percorso esistono modelli concorrenti e nessuna verifica. Va però segnalato con altrettanta chiarezza il limite dell’argomento del Disegno Intelligente: l’ignoranza attuale non è di per sé evidenza di progetto. Se l’argomento poggiasse sulle lacune, ogni scoperta lo indebolirebbe. Poggia invece sulla struttura del sistema — coesistenza necessaria di componenti eterogenei e informazione di percorso ereditata — e quella struttura è tanto più evidente quanto meglio conosciamo i meccanismi.

«L’apprendimento fa gran parte del lavoro»

Anche questa coglie qualcosa di vero, e l’abbiamo documentata noi stessi: gli zigoli indaco imparano l’asse di rotazione del cielo, api e formiche affinano con l’esperienza la stima dell’azimut, gli storni adulti di Perdeck acquisiscono la mappa in un solo viaggio, i piccioni migliorano molto con l’età. Ma l’apprendimento osservato è sempre diretto: ha un oggetto prestabilito, una finestra temporale, un criterio di estrazione e una regola d’uso, e nessuno di questi elementi è appreso. L’esperimento di Betelgeuse è dirimente proprio perché mostra la linea di separazione: il parametro è plastico, il programma no. E ci sono casi in cui l’apprendimento non ha spazio: le tartarughe di Lohmann non avevano mai visto il mare, i giovani di berta minore partono dopo gli adulti, i giovani storni applicavano una rotta che nessuno aveva insegnato loro. Cassell riassume il caso dei piccioni: la maggior parte degli aspetti del loro comportamento è innata e programmata, “compreso il processo di apprendimento stesso”. Va aggiunto che l’apprendimento non è un’alternativa alla spiegazione ma un altro elemento da spiegare: come rilevano Frédéric Mery e James Burns, il procedimento per tentativi ed errori impone un costo, un periodo di comportamento subottimale, e su una migrazione transoceanica il costo di un tentativo sbagliato è la morte.

«Una bussola senza mappa è già utile, quindi la gradualità è possibile»

È l’obiezione più forte del gruppo, e va accolta in buona parte. È letteralmente vero che una bussola senza mappa è utile: gli esperimenti di Perdeck lo dimostrano nel modo più diretto, perché i giovani storni, che hanno solo direzione e durata, migrano e sopravvivono. Esiste dunque un gradiente funzionale reale fra navigazione vettoriale e vera navigazione, e la versione forte della tesi — “l’intero sistema di navigazione è tutto-o-niente” — è troppo forte e va corretta: la componente mappa è, funzionalmente, un miglioramento su un sistema già funzionante.

Restano tre osservazioni che l’obiezione non tocca. La prima: il gradiente non parte da zero, perché anche la navigazione vettoriale pura dei giovani richiede già la congiunzione di sensore, trasduzione, orologio, angolo ereditato, programma di durata e programma fisiologico; l’obiezione mostra che si può aggiungere un piano a un edificio, non che l’edificio si sia costruito da solo un mattone alla volta. La seconda: un angolo di rotta ereditato vale solo in rapporto a una geografia, perché novanta gradi non è né giusto né sbagliato in astratto, e l’informazione di percorso è quindi specificata rispetto a un obiettivo esterno all’organismo — il tipo di informazione discusso in complessità specificata — e che sia ereditata e non appresa è un dato sperimentale. La terza: la mappa non è un accessorio che si innesta, perché richiede due grandezze misurate, un valore-obiettivo in memoria e una regola di conversione, e nessuno dei tre serve a niente senza gli altri due. Il problema della coesistenza si sposta di livello, non scompare.

«L’analogia ingegneristica è fuorviante»

Obiezione legittima e in parte fondata. Un animale non calcola una rotta ortodromica con la trigonometria sferica; è molto più probabile che segua euristiche locali — inseguire un gradiente, mantenere costante un parametro, correggere in proporzione all’errore — che producono risultati simili a costo computazionale incomparabilmente minore, e la stessa fonte lo documenta: l’algoritmo dell’azimut solare di formiche e api è un’approssimazione a tre segmenti, non una formula astronomica. Confrontare i chilogrammi di un’unità inerziale con i grammi di un uccello significa confrontare architetture diverse. C’è di più: la retorica del “sistema progettato” rischia la circolarità, perché descriviamo l’organismo con il vocabolario dell’ingegneria e poi ci stupiamo che sembri ingegnerizzato.

Per questo l’analogia, qui, non regge l’inferenza. Serve a due cose più modeste: dare una misura del problema — quanto è difficile ottenere quelle prestazioni comunque le si ottenga — e mostrare che nei sistemi costruiti da noi la coesistenza di più componenti è un requisito reale, non un’invenzione retorica. L’inferenza poggia su altro: sulla congiunzione necessaria di componenti eterogenei, sull’informazione di percorso ereditata e specificata rispetto a una geografia esterna, e sul fatto che nessuna sequenza di stadi singolarmente vantaggiosi è stata finora esibita. Nella posizione editoriale di questo sito resta una deduzione logica e filosofica a partire da dati empirici, non una dimostrazione, e non chiude la questione.

«Il senso magnetico è comparso molte volte, quindi ottenerlo dev’essere facile»

La magnetorecezione si trova in batteri, molluschi, crostacei, insetti e in tutti i principali gruppi di vertebrati, e una distribuzione così ampia suggerisce che le condizioni fisiche per rilevare il campo siano più accessibili di quanto sembri. Ma percepire il campo e navigarci sono cose diverse: un batterio magnetotattico usa una catena di magnetosomi per allinearsi passivamente e scendere verso sedimenti poveri di ossigeno, ed è una tassìa, il più semplice dei sei livelli dei Gould, senza orologio, senza rotta memorizzata, senza mappa. La diffusione del sensore non spiega la diffusione del sistema. E la convergenza, quando è reale, non è una spiegazione ma un moltiplicatore del problema: se lo stesso apparato integrato è comparso più volte in lignaggi indipendenti, l’improbabilità va moltiplicata, non divisa — lo stesso genere di difficoltà discusso a proposito dei geni orfani.

Concetti chiave

1. Orientarsi e navigare sono capacità distinte, e solo la seconda richiede una mappa. Tenere una direzione richiede una bussola e un angolo; sapere dove si è richiede due grandezze geograficamente variabili e un valore-obiettivo. L’errore di un sistema a sola bussola cresce con la distanza, quello di un sistema con mappa no.
2. La bussola stellare si costruisce imparando un parametro dentro un programma che non è appreso. Lo zigolo indaco impara dove sta l’asse di rotazione del cielo, e se il cielo ruota attorno a Betelgeuse impara Betelgeuse; ma la regola che dice di cercare l’asse, quando cercarlo e come usarlo non viene dal cielo.
3. La magnetorecezione è reale, il suo meccanismo è ancora aperto. La magnetite ha la sensibilità fisica ma nessun recettore identificato nei vertebrati; le coppie radicaliche hanno un candidato molecolare e quattro linee di evidenza, ma manca la dimostrazione in vivo. L’ipotesi delle cellule del becco del piccione è stata smentita nel 2012.
4. Gli esperimenti di spostamento sono il dato più difficile da spiegare. Storni e passeri adulti spostati di centinaia o migliaia di chilometri correggono la rotta da luoghi dove non sono mai stati; i giovani della stessa specie no. Correggere da un punto ignoto significa usare una mappa.
5. Il problema è la coesistenza dei componenti, non la loro complessità. Sensori, trasduzione, elaborazione, informazione di percorso e programma fisiologico devono esserci tutti perché uno qualunque sia utile, e un tratto costoso e inutile è svantaggioso. Il criterio del vantaggio a ogni passo è quello standard del gradualismo.
6. L’informazione di percorso è un dato ereditato, non un algoritmo. Direzione, durata e destinazione sono specificate rispetto a una geografia esterna all’organismo, e i giovani le possiedono prima di qualunque esperienza: va spiegata l’origine dell’algoritmo e quella dei dati su cui opera.

Per approfondire

• Perché la complessità irriducibile è un problema per il darwinismo — l’argomento della coesistenza necessaria in versione molecolare, di cui il sistema di navigazione è la controparte comportamentale.
• Complessità specificata: come riconoscere matematicamente il design — il quadro concettuale per trattare la rotta ereditata come informazione specificata rispetto a un obiettivo esterno.
• Cosa può e cosa non può fare la selezione naturale — perché il vantaggio a ogni passo intermedio è un vincolo interno alla teoria, non un’obiezione esterna.
• La genetica delle popolazioni e le barriere matematiche — l’ordine di grandezza del problema quando servono più cambiamenti genetici coordinati in parti diverse del genoma.
• Caso, necessità o progetto: l’inferenza alla migliore spiegazione — la struttura logica dell’inferenza usata in questo modulo, con i suoi limiti dichiarati.

Riferimenti

Cassell, E. (2021). Animal Algorithms: Evolution and the Mysterious Origin of Ingenious Instincts. Discovery Institute Press.

Eberlin, M. (2019). Foresight: How the Chemistry of Life Reveals Planning and Purpose. Discovery Institute Press.

Gould, J. L., & Gould, C. G. (2012). Nature’s Compass: The Mystery of Animal Navigation. Princeton University Press.

Sobel, D. (1995). Longitude. Penguin Books.

Emlen, S. T. (1967). Migratory orientation in the indigo bunting, Passerina cyanea. The Auk, 84, 309–342 e 463–489.

Emlen, S. T. (1970). Celestial rotation: its importance in the development of migratory orientation. Science, 170, 1198–1201.

Perdeck, A. C. (1958). Two types of orientation in migrating starlings and chaffinches, as revealed by displacement experiments. Ardea, 46, 1–37.

Thorup, K., et al. (2007). Evidence for a navigational map stretching across the continental U.S. in a migratory songbird. Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(46), 18115–18119.

Wiltschko, W., & Wiltschko, R. (1996). Magnetic orientation in birds. Journal of Experimental Biology, 199(1), 29–38.

Wiltschko, R., & Wiltschko, W. (2014). Sensing magnetic directions in birds: radical pair processes involving cryptochrome. Biosensors, 4, 221–242.

Beason, R. C. (2005). Mechanisms of magnetic orientation in birds. Integrative and Comparative Biology, 45(3), 565–573. https://doi.org/10.1093/icb/45.3.565

Gould, J. L. (2010). Magnetoreception. Current Biology, 20(10), R431–R435.

Lohmann, K. J. (2010). Magnetic-field perception. Nature, 464, 1140–1142.

Ritz, T., Adem, S., & Schulten, K. (2000). A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophysical Journal, 78, 707–718.

Gauger, E. M., Rieper, E., Morton, J. J. L., Benjamin, S. C., & Vedral, V. (2011). Sustained quantum coherence and entanglement in the avian compass. Physical Review Letters, 106, 040503.

Günther, A., et al. (2018). Double-cone localization and seasonal expression pattern suggest a role in magnetoreception for European robin cryptochrome 4. Current Biology, 28, 211–223.

Treiber, C. D., et al. (2012). Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons. Nature, 484, 367–370.

Wu, L.-Q., & Dickman, J. D. (2012). Neural correlates of a magnetic sense. Science, 336, 1054–1057.

Muheim, R., Phillips, J. B., & Åkesson, S. (2006). Polarized light cues underlie compass calibration in migratory songbirds. Science, 313, 837–839.

Putman, N. F., Endres, C. S., Lohmann, C. M. F., & Lohmann, K. J. (2011). Longitude perception and bicoordinate magnetic maps in sea turtles. Current Biology, 21(6), 463–466. https://doi.org/10.1016/j.cub.2011.01.057

Brothers, J. R., & Lohmann, K. J. (2015). Evidence for geomagnetic imprinting and magnetic navigation in the natal homing of sea turtles. Current Biology, 25, 392–396.

Pulido, F. (2007). The genetics and evolution of avian migration. BioScience, 57(2), 165–174.

Coyne, J. A. (2009). Why Evolution Is True. Viking. Le osservazioni di Mark Kirkpatrick, Günter Wagner e Vincent Lynch, Frédéric Mery e James Burns e Kenneth Able citate nel testo sono riportate e discusse in Cassell (2021), capitoli 2 e 3.