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Orientamento degli animali: bussole e punti di riferimento

Dall'esplorazione alle migrazioni: i sistemi di orientamento nel mondo animale in volo, a nuoto e sulla terra

L’orientamento è fondamentale per la maggior parte delle specie animali. Secondo la definizione data dalla Treccani, la navigazione animale è “la capacità di un animale di raggiungere una meta spazialmente definita e circoscritta, anche relativamente lontana”. Non include, quindi, gli spostamenti verso una meta già percepibile (visibile, odorabile ecc.) alla partenza, per esempio quelli che avvengono entro il raggio d’azione dell’ecolocazione[1].

Nella maggior parte dei casi gli animali raggiungono luoghi già noti, un fenomeno denominato homing (traducibile come “ritorno a casa”) anche quando non tornano al proprio nido[1]. Questo può avvenire semplicemente tramite inversione della direzione; tramite meccanismi automatizzati; oppure tramite vera navigazione, ovvero la capacità di trovare la giusta rotta anche in luoghi sconosciuti e senza alcun riferimento, grazie all’integrazione di diversi sistemi di navigazione[2]. Gli animali capaci di vera navigazione sono quindi in grado di compensare i dislocamenti passivi, cioè lo spostamento dell’animale attuato dall’uomo – un metodo usato negli esperimenti che indagano sulle capacità di orientamento degli animali[1].

Affinché un animale possa spostarsi sono fondamentali due parametri:

  • che abbia a disposizione dei punti di riferimento. Questi possono essere esterni (allocentrici) o ego-centrati, cioè misurabili dall’animale sulla base dei propri movimenti[2];
  • il senso del tempo: un orologio biologico (cioè l’insieme di meccanismi fisiologici che determinano lo scandire delle attività dell’organismo)[2, 3].

Tipi di orientamento degli animali

È in base ai punti di riferimento sfruttati che si categorizzano le modalità di navigazione degli animali. Esistono quattro diversi tipi di orientamento nello spazio: l’uso di bussole (sistemi di riferimento astrali o fisiche); l’uso di landmark (punti di riferimento ambientali); l’uso di mappe mentali; e il dead reckoning (stima o registrazione del percorso effettuato). Soltanto in casi di emergenza gli animali si orientano ricorrendo a esplorazioni casuali[2].

Bussole

L’orientamento bussolare è un meccanismo di navigazione dipendente dalla presenza di astri o riferita al campo magnetico terrestre. Gli animali capaci di orientamento bussolare hanno la capacità innata di capire la direzione da cui proviene un certo punto di riferimento e di riuscire a orientarsi di conseguenza[1]. Sono quattro i tipi di orientamento bussolare.

Bussola solare

Il Sole, nel cielo, si “sposta” di circa 15° ogni ora. Perciò per riferirvisi come punto di riferimento è necessario considerare che non si trova sempre nella stessa posizione durante la giornata. Gli animali che possiedono una bussola solare sono quelli capaci di orientarsi compensando lo spostamento del sole nel tempo, come gli storni (Sturnus vulgaris). Se si tiene uno storno in laboratorio dove una lampada simula la presenza del Sole, si può osservare che la direzione in cui l’animale vola cambia nel corso del giorno. Lo storno, infatti, cambia la propria posizione rispetto all’angolo della lampada per compensare lo spostamento del Sole che si verifica durante la giornata[2, 3].

Un altro esempio è quello dei colombi o piccioni selvatici (Columba livia), che tendono a volare in direzione della propria piccionaia. Se si portano alcuni di questi animali in laboratorio, cambiando l’alternanza di luce e buio delle lampade, è possibile manipolarne l’orologio biologico affinché risulti sfasato di sei ore rispetto al Sole. Liberando il piccione questo cercherà di raggiungere la propria piccionaia; supponiamo che questa si trovi a est. Alle sei del mattino il colombo volerebbe nella direzione del Sole; ma con l’orologio interno sfasato, mettiamo, di sei ore, l’uccello percepirebbe il Sole come fosse mezzogiorno, per cui si sposterebbe verso nord[3].

Attenzione: usare il Sole come punto di riferimento non significa doverlo vedere. Come fanno gli animali a percepirlo? Un modo è fare riferimento alla proiezione del Sole, l’azimut[1]. Un altro modo è mediante la luce stessa, in particolare la sua polarizzazione, cioè il fenomeno cui è sottoposta quando attraversa l’atmosfera che fa sì che le lunghezze d’onda vibrino solo su un piano perpendicolare rispetto alla direzione dei raggi solari. In altre parole, i “raggi” del Sole vengono filtrati dall’atmosfera in modo da avere precise direzioni, che cambiano con lo spostarsi della stella. Animali che sfruttano questo sistema sono per esempio le farfalle monarca (Danaus plexippus)[1, 3] e alcuni Chirotteri[4].

Bussola lunare

Gli animali con bussola lunare compensano endogenamente il moto della Luna nel cielo, similmente a come accade per la bussola solare. Il talitro o pulce di spiaggia (Talitrus saltator) usufruisce della bussola lunare ed è anche un esempio di come, frequentemente, gli animali abbiano più di un tipo di orientamento bussolare. Essi, infatti, possiedono anche una bussola solare[2].

Bussola stellare

È usata, in particolare, dagli uccelli migratori che migrano di notte[2]. In laboratorio si può infatti cambiare la direzione intrapresa da questi animali semplicemente ruotando il planetario sopra di essi[1, 2]. Sembra che questo tipo di navigazione sia subordinato al riconoscimento delle costellazioni circumpolari. In un esperimento, infatti, si è osservato che gli uccelli della specie Passerina cyanea divengono incapaci di orientarsi quando vengono oscurate le costellazioni entro 35° rispetto alla stella polare[1].

Bussola geomagnetica

Quando non è possibile fare riferimento agli astri – ad esempio nelle profondità marine – si può ricorrere al campo magnetico terrestre, ovvero l’insieme di forze magnetiche generate nel nucleo del nostro pianeta. Le tartarughe verdi (Chelonia mydas), ad esempio, cambiano la direzione di navigazione se varia il campo magnetico. Questo è stato verificato immergendole in vasche circondate da bobine magnetiche che venivano manipolate grazie a dei computer (in uno studio di Ken Lohmann e colleghi del 2004: “Geomagnetic map used in sea-turtle navigation”)[3]. Anche le falene Bogong (Agrotis infusa)[4] e diversi uccelli modificano i propri spostamenti secondo variazioni di campi magnetici artificiali in cui vengono inseriti. Il meccanismo fisiologico che sta dietro a questo tipo di orientamento è ancora sconosciuto[2].

L’uso di landmark

L’utilizzo di riferimenti ambientali (landmark) per l’orientamento degli animali deriva da associazioni stimolo-risposta: gli individui imparano a collegare la presenza di un indizio presente nell’ambiente (ad esempio) a del cibo o altri rinforzi positivi[3]. La navigazione basata sui landmark viene definita pilotaggio; può essere visuale, olfattivo, tattile a seconda del tipo di stimoli che lo guidano[2].

Ne sono capaci, ad esempio, i gerbilli (Gerbillinae, una sottofamiglia dei Muridi). In un esperimento essi venivano abituati a trovare il cibo al centro di tre punti di riferimento. Quando uno o due di questi venivano rimossi, i gerbilli cercavano il cibo nei punti intorno al landmark residuo corrispondenti a quello che sarebbe stato il centro del triangolo iniziale[2]. Un altro esempio di utilizzo dei landmark è stato osservato da Tinbergen sulla vespa terraiola, la famiglia di vespe Sphecidae.

Questo tipo di orientamento è particolarmente importante per gli animali che fanno incetta di cibo (e che di conseguenza lo devono nascondere). Come nel caso della nocciolaia di Clark (Nucifraga columbiana), un uccello che in autunno nasconde fino a 33 mila semi che recupererà nell’arco di diversi mesi; esso usufruisce però anche di mappe cognitive[2, 3].

Mappe cognitive

Alcuni animali, come Homo sapiens, sono in grado di formarsi delle mappe cognitive, ovvero delle rappresentazioni mentali delle relazioni fra tutti gli oggetti presenti in un dato luogo. In conseguenza alla formazione di una mappa cognitiva l’animale è in grado di orientarsi anche se viene spostato o se vengono rimossi alcuni indizi ambientali[2]. Fra gli animali che utilizzano questo metodo di orientamento si annoverano sia vertebrati, come i ratti, sia invertebrati, come le api[2, 3].

La creazione di mappe mentali all’interno della memoria degli individui è un fenomeno passivo e spontaneo, indipendente dalla presenza di rinforzi (diversamente dall’uso dei landmark): si tratta di una forma di apprendimento latente, che avviene quindi automaticamente. Per esempio, i ratti sono in grado di sfruttare scorciatoie e strategie di aggiramento in labirinti con canali bloccati, anche se non sono mai stati rinforzati a farlo[2].

Le cincie bigie americane (Parus atricapillus) immagazzinano il cibo in determinati punti del suolo per poi tornarvi dopo uno o più giorni. In esperimenti in cui questi siti di immagazzinamento sono coperti e svuotati, gli uccelli cercano cibo nei punti dove lo avevano seppellito, anche se non vi sono indizi odorosi o visivi in tal senso. Ciò dimostra che esse ricordano dove lo hanno seminato[3]. Prova ulteriore di questo è che quando è lo sperimentatore a nascondere il cibo questi uccelli non sono capaci di trovarlo[2].

Mappe mentali e ippocampo

Le cincie bigie dell’Alaska immagazzinano molto più cibo delle cospecifiche del Colorado, per fronteggiare il freddo intenso; sono anche molto più veloci a individuare il cibo precedentemente nascosto. Sia nelle cince bigie dell’Alaska, confrontate con quelle del Colorado, sia nell’uomo, la maggior abilità mnemonica delle mappe cognitive è rispecchiata dalle maggiori dimensioni dell’ippocampo, struttura cerebrale che risponde all’esperienza. In Homo sapiens si è visto infatti che i tassisti di Londra possiedono un ippocampo più grande di quello di uomini che svolgono un mestiere diverso, che non richiede di ricordare la mappa di una città[3].

In particolare, nel meccanismo della formazione delle mappe cognitive sono coinvolti due tipi di neuroni ippocampali: le place cell e le head-direction cell. Le prime si attivano a seconda della posizione che l’animale occupa nello spazio; le seconde, invece, scaricano quando la testa degli animali è orientata in una certa direzione. Si pensa che le origini di questa struttura nervosa risalgano all’antenato comune di uccelli, mammiferi, rettili e Actinopterigi (pesci a pinne raggiate)[2].

Il dead reckoning

Quando i punti di riferimento non sono molti è possibile osservare un altro tipo di comportamento di orientamento degli animali: il dead reckoning (traducibile come “stima cieca”). Questo meccanismo consiste nella capacità di calcolare dove si trova il punto di partenza del proprio tragitto sulla base della distanza e degli angoli percorsi. Gli animali che lo attuano registrano il proprio percorso, calcolandolo (inconsciamente) grazie alla somma vettoriale delle direzioni percorse e degli angoli rispetto a un punto di riferimento come il Sole.

È dunque un fenomeno più complesso della semplice inversione di direzione, praticata per esempio dalle vespe cartonaie (del genere Polistes)[2]. Il dead reckoning è difficilmente osservabile da solo[2], in quanto viene generalmente integrato da indizi come odori, geomagnetismo, vibrazioni[5].

Un esempio di animali che attuano il dead reckoning sono le formiche del deserto (genere Cataglyphis). Questi artropodi vivono in formicai scavati nel terreno. Quando si allontanano dal nido esplorano il territorio intorno a sé alla ricerca di cibo, arrivando a percorrere centinaia di metri in tragitti disordinati. Il ritorno, invece, avviene in linea pressoché retta: la via più breve, a prescindere dalle deviazioni dell’andata[2](v. figura 1, b). Come verifichiamo che ciò non avvenga grazie a mappe mentali o all’uso di bussole? Se dopo il ritrovamento del cibo la formica viene spostata, essa si muoverà nella stessa direzione che avrebbe tenuto se non fosse stata spostata (v. figura 1, c e d). Ad esempio, se durante il suo ritorno al formicaio la dislochiamo a 5 metri a ovest, questa arriverà a 5 metri a ovest dal suo formicaio[2].

Il dead reckoning
Figura 1: il dead reckoning. (a): percorso di andata, esplorativo. (b): percorso di ritorno, lineare. (c) e (d): percorso di ritorno in seguito a dislocamento passivo. Immagine creata da Jolanda Serena Pisano per BioPills, liberamente tratta da J. Alcock, 2017, e Sovrano V.A. et al., 2009.

Un altro esempio di animali capaci di dead reckoning è quello delle api da miele: per verificarlo si può effettuare un esperimento. Innanzitutto, si abituano le api a seguire un preciso percorso per raggiungere un certo punto (es. punti di rifornimento di acqua zuccherata), che si troverà in una direzione e a una distanza precise rispetto all’alveare. Le api saranno capaci di seguire la giusta direzione, senza esitazioni, anche quando gli sperimentatori spostano l’alveare. Diversamente dalle formiche del deserto, però, le api ritrovano il punto esatto perché possiedono anche una bussola solare. Ritrovano subito la strada anche quando vengono rinchiuse per tre ore (con conseguente ritardo sulla partenza) perché, fisiologicamente, hanno compensato lo spostamento di 45° del Sole avvenuto mentre erano rinchiuse[3].

Referenze

  1. Floriano Papi, 2007 – Navigazione animale. Enciclopedia Treccani.
  2. Sovrano V. A. et al., 2009 – Il comportamento degli animali. Evoluzione, cognizione e benessere. Carocci, 2009. ISBN: 978-88-43-04588-4.
  3. John Alcock, 2017. Etologia, un approccio evolutivo. Zanichelli editore, terza edizione italiana. Copyright 2007. ISBN: 978-88-08-06799-9.
  4. Francesca Buoninconti, 2019. Senza confini: le straordinarie storie degli animali migratori. ISBN: 978-88-75-78801-8. Leggi qui la nostra recensione.
  5. Le Scienze, 2012 – L’orientamento perfetto delle formiche del deserto.
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