Ogni autunno, le farfalle monarca attraverso il Canada e gli Stati Uniti girano le loro ali colorate verso il Rio Grande e migrano per più di 2,000 miglia verso il relativo calore del Messico centrale.
Il viaggio, ripetuto istintivamente da generazioni di monarchi, continua anche se il loro numero è precipitato a causa della perdita della loro unica fonte di cibo larvale - asclepiade. Ora, gli scienziati pensano di aver infranto il segreto dei monarchi interni della bussola geneticamente codificati per determinare la direzione sud-ovest in cui dovrebbero volare ogni caduta.
"La loro bussola integra due informazioni - l'ora del giorno e la posizione del sole all'orizzonte - per trovare la direzione verso sud", dice Eli Shlizerman, professore associato presso l'Università di Washington, che ha incarichi congiunti nella matematica applicata e dipartimenti di elettrotecnica.
Mentre la natura della capacità della farfalla monarca di integrare l'ora del giorno e la posizione del sole nel cielo sono noti da precedenti ricerche, gli scienziati non hanno mai capito come il cervello del monarca riceve e elabora queste informazioni. Per lo studio, i ricercatori hanno voluto modellare come la bussola del monarca è organizzato all'interno del suo cervello.
"Volevamo capire come il monarca stia elaborando questi diversi tipi di informazioni per ottenere questo comportamento costante, volando verso sud-ovest ogni autunno", afferma Shlizerman.
I monarchi usano i loro occhi grandi e complessi per monitorare la posizione del sole nel cielo. Ma la posizione del sole non è sufficiente per determinare la direzione. Ogni farfalla deve anche combinare quell'informazione con l'ora del giorno per sapere dove andare. Fortunatamente, come la maggior parte degli animali compresi gli umani, i monarchi possiedono un orologio interno basato sull'espressione ritmica dei geni chiave.
Questo orologio mantiene uno schema giornaliero di fisiologia e comportamento. Nella farfalla monarca, l'orologio è centrato nelle antenne e le sue informazioni viaggiano attraverso i neuroni al cervello.
I biologi hanno studiato in precedenza i modelli ritmici delle antenne monarca che controllano l'orologio interno, e come i loro occhi composti decifrano la posizione del sole nel cielo. Per lo studio, pubblicato sulla rivista Rapporti Cellularii ricercatori hanno registrato i segnali dei nervi delle antenne nei monarchi mentre trasmettevano al cervello informazioni sull'orologio e informazioni luminose dagli occhi.
La via più breve non è la migliore
"Abbiamo creato un modello che ha incorporato queste informazioni - come le antenne e gli occhi trasmettono queste informazioni al cervello", afferma Shlizerman. "Il nostro obiettivo era quello di modellare quale tipo di meccanismo di controllo sarebbe al lavoro all'interno del cervello, e poi ha chiesto se il nostro modello potesse garantire una navigazione sostenuta nella direzione sud-ovest".
Nel loro modello, due meccanismi neurali - un segnale inibitore e uno controllato dall'eccitatore dai geni dell'orologio nelle antenne. Il loro modello aveva un sistema simile per distinguere la posizione del sole sulla base dei segnali dagli occhi. L'equilibrio tra questi meccanismi di controllo aiuterebbe il cervello di un monarca a decifrare quale direzione era a sud-ovest.
Sulla base del loro modello, sembra anche che quando si eseguono correzioni di rotta, i monarchi non si limitino a compiere la svolta più breve per tornare sulla rotta. Il loro modello include una caratteristica unica: un punto di separazione che controllerebbe se il monarca ha virato a destra o a sinistra nella direzione sud-ovest.
"La posizione di questo punto nel campo visivo della farfalla monarca cambia durante il giorno", dice Shlizerman. "E il nostro modello prevede che il monarca non attraverserà questo punto quando farà una correzione di rotta per tornare a sud-ovest."
Sulla base delle loro simulazioni, se un monarca esce fuori rotta a causa di una raffica di vento o di un oggetto sul suo percorso, girerà in qualsiasi direzione non lo richieda per attraversare il punto di separazione.
Ulteriori studi dovrebbero confermare se il modello dei ricercatori è coerente con l'anatomia, la fisiologia e il comportamento del cervello delle farfalle monarca. Finora, gli aspetti del loro modello, come il punto di separazione, sembrano coerenti con i comportamenti osservati.
"Negli esperimenti con i monarchi in diversi momenti della giornata, si vedono occasioni in cui i loro turni in correzioni sono insolitamente lunghi, lenti o tortuosi", dice Shlizerman. "Questi potrebbero essere casi in cui non possono fare una svolta più breve perché richiederebbe l'attraversamento del punto di separazione".
Il loro modello suggerisce anche una spiegazione semplice perché le farfalle monarca sono in grado di invertire la rotta in primavera e tornare a nord-est negli Stati Uniti e in Canada. I quattro meccanismi neurali che trasmettono informazioni sull'orologio e la posizione del sole avrebbero semplicemente bisogno di invertire la direzione.
"E quando ciò accade, la loro bussola punta a nord-est anziché a sud-ovest", dice Shlizerman. "È un sistema semplice e robusto per spiegare come queste farfalle - generazione dopo generazione - facciano questa notevole migrazione".
Daniel Forger presso l'Università del Michigan e James Phillips-Portillo presso l'Università del Massachusetts sono co-autori dello studio, che è stato finanziato dalla National Science Foundation e dal Washington Research Fund.
Fonte: Università di Washington
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