Storia di un successo

Sorvolano l’Himalaya, volano sott’acqua, sono capaci di tuffi acrobatici, di voli possenti o di sbattere le ali 80 volte al secondo. Stando a uno studio appena pubblicato su Cell, alla base del successo evolutivo degli uccelli ci sarebbe la speciale struttura di ciò che più li distingue: le penne.
Francesca Buoninconti, 03 Dicembre 2019
Micron
Foto da Cell
Micron
Giornalista scientifica

Ci sono uccelli che sorvolano a cuor leggero l’Himalaya, altri che volano sott’acqua, negli oceani più freddi. Altri ancora capaci di tuffi acrobatici, di voli possenti o di voli frullati, sbattendo le ali 80 volte al secondo. E c’è persino chi ormai non vola più. Stando a uno studio appena pubblicato su Cell, alla base del successo evolutivo di questa classe di animali e della loro estrema diversità ci sarebbe proprio la speciale struttura del loro tratto distintivo: le penne.

Il team di ricercatori, guidato da Wei-Ling Chang della National Cheng Kung University di Taiwan e composto anche da studiosi dell’University of Southern California, è partito da una considerazione molto semplice. Le penne degli uccelli non solo differiscono da specie a specie, ma anche all’interno della stessa ala: ognuna ha un ruolo preciso e una forma diversa. Sono piccoli capolavori di propulsione e adattamento, e hanno un segreto: la loro struttura è modulare. Starebbe qui la chiave di tutto.

Chang e colleghi hanno utilizzato un approccio multidisciplinare per esaminare le penne sotto vari aspetti: dalle loro proprietà biofisiche alla biologia molecolare. E hanno preso in considerazione quelle di 21 specie diverse, dagli struzzi inetti al volo alle galline, fino ai passeriformi che riescono a frullare le ali come i colibrì, maestri in quest’arte, passando per anatre, aquile, gufi, pavoni, aironi e riservando un posto anche ai pinguini. Infine, per capire meglio la loro evoluzione il gruppo ha anche esaminato penne risalenti a quasi 100 milioni di anni fa conservate nell’ambra del Myanmar.

Stando ai risultati, a rendere le penne un capolavoro di bio-ingegneria sarebbe stata proprio la loro struttura modulare. Grazie a questa caratteristica, non solo sono state capaci di diversificarsi a seconda del ruolo svolto nella stessa specie, o tra specie diverse, ma hanno permesso agli uccelli di conquistare ambienti diversissimi.

Le penne sono infatti composte da due “moduli architettonici” di cheratina, altamente adattabili: un “albero” centrale cavo, costituito dal calamo e dal rachide, e il vessillo, la parte morbida e colorata delle penne. Il calamo è il primo tratto infilato nella cute, mentre il rachide è l’asse portante della penna e va restringendosi verso la punta. Il rachide potrebbe essere paragonato all’albero di una vela, e la vela stessa al vessillo. Quest’ultimo è composto da tantissimi filamenti cheratinici paralleli tra loro, detti barbe. Da ognuna di queste spuntano numerosi altri filamenti, detti barbule, che si agganciano tra di loro e alla barba successiva grazie a degli uncini detti amuli, formando una trama fitta, compatta e allo stesso tempo elastica e resistente: l’ideale per sferzare il vento e riuscire a far leva sull’aria. Gli amuli, dunque, hanno un ruolo importante non solo nel determinare la forma della penna, ma nella sua evoluzione come struttura atta al volo. Le penne fossili, infatti, hanno sì una struttura modulare come quella dei moderni uccelli, ma con caratteristiche più primitive. Ad esempio le barbule sono semplicemente sovrapposte tra di loro e non presentano uncini.

Immagine da Cell

Il team è poi passato a studiare come l’evoluzione ha modellato le barbe, le barbule e gli uncini. L’obiettivo era capire come una penna molto più simile a un insieme di filamenti sparuti si sia trasformata in una struttura ramificata in tre livelli, con funzioni diverse. «Abbiamo capito in che modo la pelle genera una penna e come, a partire da una struttura prototipica, si può generare una penna di contorno, una penna copritrice o una penna del volo come una remigante o una timoniera» ha spiegato Chuong. «Infine, abbiamo scoperto come una penna delle ali può essere modulata per adattarsi alle diverse modalità di volo richieste in differenti ambienti».

Ebbene, i ricercatori hanno scoperto per esempio che le barbe si formano a partire da un unico strato di epitelio, che poi si divide come un foglio che passa attraverso un distruggidocumenti. O, ancora, che la struttura interna microscopica del rachide è molto diversa tra le varie specie esaminate, in particolare tra uccelli non volatori e specie che invece sono ottime volatrici. In questo caso, infatti, lo strato esterno del rachide è sottile e leggero, mentre l’interno è pieno di cellule porose, simili a tante bolle, le cui pareti funzionano da travi e transetti che mantenevano elastico il rachide. Negli uccelli non volatori, invece, il rachide presenta uno strato esterno più rigido e robusto, mentre la struttura interna a “bolle” ha meno transetti o addirittura questi sono totalmente assenti, come nei pinguini.

L’analisi molecolare ha poi rivelato diverse vie biochimiche che guidano lo sviluppo di questo capolavoro di bio-architettura, secondo uno schema gerarchico. Lo spessore e la rigidità dello strato più esterno del rachide sono determinati da un fattore di crescita importantissimo: una proteina ​​morfogenetica dell’osso o BMP, dall’inglese Bone morphogenetic proteins, un gruppo di proteine che regola la crescita dei tessuti ossei e cartilaginei. La struttura interna del rachide, invece, viene determinata a un altro fattore di crescita, il TGF-ß.

Gli amuli, infine, ovvero gli uncini che tengono unite le barbule e che rendono il vessillo compatto e allo stesso tempo elastico, sarebbero comparsi molto dopo nella storia evolutiva degli uccelli. E in particolare la loro formazione sarebbe regolata da un altro fattore di crescita, il Wnt2b.

Secondo i ricercatori, oltre a spiegare come gli uccelli si sono adattati nel tempo, questi risultati potrebbero anche tornare utili per la progettazione delle tecnologie del prossimo futuro. Per esempio, sperano che nuovi materiali ispirati alle penne degli uccelli potrebbero servire per realizzare una versione più leggera e allo stesso tempo robusta – e perché no, silenziosa – dei droni tanto utilizzati oggi anche per diletto. O, ancora, turbine eoliche più resistenti e prestanti, o persino dispositivi medici e protesi migliori. Sarà semplice come un battito d’ala?

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