Non perdiamo la bussola

monumento a Flavio Gioia Dopo aver parlato nell'ultimo post del campo magnetico terrestre, mi sono detto che forse potevo tornare ancora su questo argomento complesso e affascinante. Al contrario dell'elettricità, che è presente in quasi ogni aspetto della nostra vita quotidiana, il magnetismo ci tocca in maniera più indiretta. Le calamite con cui mia zia sarta raccattava gli spilli caduti a terra sono soltanto un ricordo d'infanzia. Tutti noi abbiamo giocato con una bussola: ma ormai un escursionista appassionato di montagna si affida più volentieri a un ricevitore GPS che a un ago bianco e rosso.
Eppure la bussola ha avuto un'importanza così grande nella storia dell'esplorazione umana del mondo, che qualcuno ha sentito il bisogno di immaginare per essa un inventore con tanto di nome e cognome: Flavio Gioia. Questo illustre nonché mai esistito cittadino di Amalfi condivide con pochi altri personaggi immaginari, come Pinocchio e Peter Pan, l'onore di un vero e proprio monumento. A testimonianza della suggestione che la bussola ha esercitato sugli uomini attraverso i secoli.
Però, no, non è stato Flavio Gioia ad inventare la bussola. (Ad Amalfi può bastare la gloria di essere uno dei luoghi più belli del mondo, dopo tutto.) E neppure i cinesi. La bussola esisteva sulla Terra miliardi di anni prima che gli uomini se ne accorgessero. Come molte altre trovate, quali la ruota e il motore a reazione, a inventarla per la prima volta è stata quella forma straordinaria di immaginazione naturale che è l'evoluzione biologica…

Calamite naturali
La magnetite (FeO·Fe₂O₃) è un minerale di ferro che ha un contenuto di metallo particolarmente alto. È presente in quasi tutte le rocce di origine vulcanica o metamorfica, dunque nelle rocce che si formano per solidificazione del magma e non per sedimentazione. Ed è proprio nella fase di solidificazione e cristallizzazione che la magnetite acquista le sue proprietà magnetiche.
Ogni molecola di ogni composto di ferro si comporta come un piccolo ago magnetico e tende a orientarsi nel campo magnetico terrestre. Nella roccia fusa, però, gli urti disordinati fra le molecole ad alta temperatura prevalgono sull'effetto ordinatore del campo magnetico, e le molecole puntano in direzioni casuali. Il campo magnetico generato da ciascuna molecola (gli aghi magnetici non si limitano a subire il campo magnetico, sono essi stessi sorgenti di campo magnetico) interferisce con quello generato dalle altre, così che il campo magnetico complessivo dell'intera roccia è praticamente nullo.
Quando la temperatura si abbassa, però, l'effetto degli urti molecolari diventa meno importante, mentre inizia a prevalere la tendenza dei campi magnetici ad allinearsi fra loro e con il campo terrestre. Una volta che la roccia si è solidificata, i cristalli di magnetite hanno acquistato una magnetizzazione macroscopica diversa da zero e si comportano come piccole calamite. Se fossero liberi di oscillare, si orienterebbero come delle bussole. Ma le rocce non oscillano. In questo modo, un minerale di magnetite rappresenta una specie di fotografia del campo magnetico terrestre al momento della sua formazione; o, se volete, una specie di fossile magnetico, che ci racconta qualcosa sul passato della Terra.
(La storia del campo magnetico terrestre è piena di aspetti straordinari e suggestivi. Se volete, potremo parlarne, una volta o l'altra…)

Organismi magnetici
Ma che c'entra l'evoluzione biologica? In realtà c'entra parecchio. Sono molti gli organismi che incorporano cristalli di magnetite nella propria anatomia. La fotografia qui a fianco mostra un chitone farfalla (Cryptoconchus porosus), un membro della classe dei chitoni, particolari molluschi marini. I chitoni si nutrono "rosicchiando la roccia": con il loro apparato boccale grattano via dalle rocce, sulle quali aderiscono saldamente, le alghe e i microrganismi che le ricoprono.
Naturalmente, questo stile alimentare richiede una dentatura particolarmente robusta. I chitoni hanno risolto il problema procurandosi dei denti letteralmente di ferro. Il loro organismo concentra i cristalli di magnetite che si trovano naturalmente nell'acqua marina e nel cibo e li usa per rivestire la radula, la lingua abrasiva con la quale i chitoni grattano le rocce. Se trovate un po' ruvida la lingua del vostro micio, non vi consiglio di adottare un chitone come animale domestico.
(I chitoni adoperano la magnetite per le proprietà di durezza che le conferisce l'alto tenore di ferro, e non per le proprietà magnetiche. Mi fanno pensare agli eserciti che usano proiettili di uranio impoverito, non perché radioattivi, ma perché particolarmente compatti e penetranti. Anche la corsa agli armamenti non l'abbiamo inventata noi. Mi chiedo se si possano pescare i chitoni con una calamita…)

Un batterio bene orientato
Ma l'esempio che voglio discutere è quello di un batterio, Magnetospirillum magnetotacticum. Questo batterio è stato scoperto nel 1975, ha una forma allungata e ricurva ed è dotato di un flagello, una specie di coda utile per la locomozione. Come tutti i batteri dotati di un apparato locomotore, ha un grosso problema da risolvere. Noi grossi e pesanti organismi multicellulari facciamo fatica a capire un problema simile, ma M. magnetotacticum è così piccolo e leggero che i moti disordinati delle molecole d'acqua, dovuti all'agitazione termica, sono sufficienti a farlo muovere e ruotare in maniera altrettanto disordinata. Se chiedete a qualcuno dove si trovi una strada che non conoscete, siete contenti se dicono di andare sempre dritto nella direzione in cui state procedendo. Ma per un batterio "andare sempre dritto" è un'impresa quasi impossibile.
Un apparato locomotore è quasi inutile se non siete in grado di mantenere una direzione determinata. M. magnetotacticum ha risolto almeno in parte il problema in maniera originale e ingegnosa: ha ingoiato una bussola. Più esattamente, ha acquistato la capacità di formare degli organelli, i magnetosomi, che possono concentrare cristalli di magnetite dall'ambiente e formare strutture lineari simile ad aghi magnetici. La microfotografia qui accanto mostra una struttura simile con evidenza.
In realtà, non è esatto dire che M. magnetotacticum ha una bussola incorporata. È più corretto dire che questo batterio è una bussola. Di nuovo: essendo molto leggero, la forza esercitata dal campo magnetico terrestre sui magnetosomi è sufficiente a far ruotare l'intero organismo, allineandolo con il campo terrestre. Gli urti delle molecole d'acqua tendono a fargli perdere questo orientamento, ma il campo magnetico lo rimette rapidamente in riga. In questo modo, muovendo il flagello, M. magnetotacticum può spostarsi lungo le linee del campo magnetico terrestre senza essere sballottato in qua e in là. Ha ceduto in parte la libertà di muoversi nelle tre dimensioni, in cambio della capacità di conservare una direzione precisa di movimento. Quelle linee di campo che per noi sono appena visibili nella debole oscillazione di una bussola, per M. magnetotacticum sono veri propri binari, solchi profondi nei quali si muove saldamente.