Viaggio intorno alla penna

Le penne sono uno dei caratteri più distintivi degli uccelli e caratterizzano, con forma e colore, dai giovani pulcini agli individui adulti. Possono distinguere i maschi dalle femmine, sostengono il volo di alcune specie e il nuoto di altre. Nella capacità di un uccello di sollevarsi in cielo, compiere una picchiata verso una preda, farsi sorreggere dalle correnti d'aria, le penne sono sempre uno degli strumenti fondamentali.

Dic. 26, 2019 at 10:00 am

Con tante specie di uccelli presenti al mondo, dai minuscoli colibrì agli enormi albatros, dai grandi volatori che migrano per migliaia di chilometri ai polli che si limitano a svolazzare per pochi metri, fino agli uccelli che non volano affatto, viene davvero da chiedersi: ma come si riflettono tutti questi adattamenti nelle penne?

Anatomia di una penna

Una delle caratteristiche principali delle penne degli uccelli è che la struttura ne determina le proprietà. Proprio da questa è allora necessario partire per capire come le penne possano adattarsi ad ambienti e stili di vita tanto diversi fra un uccello e l’altro. «La struttura che siamo abituati a considerare tipica di una penna è quella della penna del volo: un’asse più o meno centrale con una parte nuda, il calamo, e una parte posta all’interno di una struttura laminare, il rachide. La lamina è la componente predominante dal punto di vista della superficie, ed è formata dal rachide e dal vessillo, composto da una serie di barbe più o meno fini e ramificate», spiega Dimitri Giunchi, ornitologo e professore di zoologia dei Vertebrati all’Università di Pisa.

«In realtà, però, gli uccelli non presentano solo le penne del volo ma hanno diversi tipi di penne: si va dalle piume, che hanno una parte prossimale (il calamo) ma mancano di un vero e proprio vessillo e hanno invece un ciuffo di barbe che servono per trattenere l’aria e di conseguenza il calore, fino a penne ancora più specializzate. Tra queste troviamo le setole, che mantengono solo il calamo e il rachide e hanno una funzione sensoriale e, per alcuni uccelli, fungono da elementi di aiuto per la predazione. Oppure le filopiume, sottilissime e presenti sotto le altre penne, che rilevano la posizione e i movimenti del piumaggio», continua il professore.

E, data la stretta correlazione tra funzione e struttura, anche le stesse penne del volo sono molto diverse non solo a seconda che la specie effettivamente voli o meno, ma anche a seconda, ad esempio, del tipo di volo che mette in atto.

Aerodinamica della penna

Le penne remiganti, che insieme a quelle della coda (timoniere) permettono agli uccelli di volare, sono caratterizzate dall’asimmetria. Invece di essere centrale, il rachide divide la lamina in una parte più larga e una più stretta, una struttura con proprietà aerodinamiche importanti. «L’asimmetria permette all’animale di ridurre i costi del battito dell’ala stessa: quando viene battuta, l’ala agisce come un’entità compatta e le penne, poste l’una sull’altra, non permettono all’aria di passare. Quando invece l’aria viene rialzata, nella seconda parte del battito dell’ala (fase di recupero), l’asimmetria favorisce la creazione di piccole fessure che permettono a un po’ d’aria di passare. Questo meccanismo permette di ridurre il costo di alzare l’ala in una fase del battito che fondamentalmente non genera spinta», spiega Giunchi.

Sebbene studiate da tempo, molte delle caratteristiche biofisiche ed evolutive delle penne possono essere indagate nel dettaglio solo oggi, grazie a raffinate tecniche d’indagine. È ciò che ha fatto uno studio pubblicato su Cell e nel quale, grazie a un approccio multi-disciplinare, gli scienziati hanno potuto esplorare diversi aspetti della struttura delle penne. Uno degli elementi evidenziati dal nuovo lavoro, che ha comparato le penne di 21 specie di uccelli estremamente differenti tra loro, più quelle di resti fossili, è come l’architettura comune a tutte le penne si sia adattata all’ecologia delle specie e al suo tipo di volo.

«Ci siamo sempre chiesti come gli uccelli possano volare in modi diversi: alcuni, come le aquile, planano, mentre altri per volare devono sbattere rapidamente le ali», commenta in un comunicato Cheng-Ming Chuong, ricercatore della University of Southern California che ha guidato lo studio. «E queste differenze sono permesse in larga parte dalla struttura delle penne».

Chi vola e chi no

È attorno al rachide che ruotano le differenze dell’architettura della penna a seconda dei diversi tipi di volo. La corteccia esterna è sottile e leggera, mentre la parte midollare interna ha una struttura porosa, grazie alla presenza di cheratinociti ricchi di vacuoli. L’arrangiamento di questi due diversi moduli, che permettono di combinare leggerezza e robustezza della penna, varia con il tipo di volo: se questo è sostenuto, come nelle anatre, la parte dorsale della corteccia va assottigliandosi, e la parte laterale rimpicciolendosi secondo un preciso gradiente, mentre la parte midollare è caratterizzata da una struttura poco complessa e con vacuoli ampi che consente di aumentare la rigidezza della penna senza aumentarne il peso.

La situazione cambia completamente negli uccelli che non volano, nei quali la struttura della penna risulta semplificata. La corteccia esterna del rachide è densa e rigida, e le strutture di rinforzo interno sono minori. Un esempio indagato dagli autori è quello del pinguino, le cui penne remiganti devono essere rigide per funzionare come pagaie nell’acqua, un fluido estremamente viscoso. Le penne del corpo presentano invece un rachide ricco d’aria all’interno, grazie a vacuoli nella parte midollare, così da garantire un maggior isolamento termico. Nello struzzo, invece, le penne del volo hanno una parte midollare ampia e non specializzata, che mal si distingue dalla corticale.

«È la capacità di abbracciare con una visione multi-disciplinare l’aspetto della struttura delle penne a rendere questo lavoro estremamente interessante», commenta Giunchi. «In particolare per quanto riguarda la struttura del rachide, che in letteratura non è stata molto indagata».

Un occhio all’ala

Naturalmente, comunque, gli adattamenti nell’architettura della penna sono accompagnati da caratteristiche anatomiche e morfologiche correlate al tipo di volo (o alla sua mancanza). «Gli uccelli che praticano un volo battuto sostenuto sono solitamene di piccole dimensioni: il colibrì rappresenta un estremo, ma lo possiamo osservare in molti passeriformi. Spesso hanno quello che chiamiamo un carico alare elevato, ossia un peso dell’animale elevato rispetto alla superficie dell’ala. Per poter volare, dunque, questi uccelli devono battere frequentemente le ali, che non possono essere troppo lunghe rispetto al corpo (altrimenti l’effetto leva sarebbe sfavorevole)», spiega Giunchi.

Dall’altro lato abbiamo gli uccelli che tendenzialmente planano, e battono le ali meno di frequente o quasi per nulla, sfruttando il vento o le correnti ascensionali per rimanere in aria. «In questo caso, l’ala deve garantire un’elevata portanza, e di conseguenza è molto lunga e spesso molto larga. In genere, la parte vicina al corpo dell’animale è quella dominante», continua il professore.

Non solo volo

Sebbene la capacità di volare sia uno degli aspetti che più ci affascinano degli uccelli, e proprio su questa capacità si sia concentrata l’analisi molecolare e biofisica del nuovo studio, è bene ricordare che negli uccelli le penne hanno anche altre fondamentali funzioni. Non solo garantiscono l’isolamento termico e l’impermeabilità del corpo, ma colore e forma hanno un ruolo chiave nella comunicazione.

«Il contesto più noto è quello socio-sessuale, che tendiamo ad associare ai colori sgargianti dei maschi di alcune specie. Ma il colore non è tutto: molti uccelli, infatti, usano le penne nel corteggiamento anche per la loro capacità di produrre suoni», spiega Giunchi. «Il caso più famoso è sicuramente quello dei manachini, il cui maschio presenta penne modificate che utilizza come una sorta di plettro, mentre altre sono il rachide espanso e con una superficie ruvida che può essere “sfregata” a una frequenza molto elevata. In questo modo, il manachino fa entrare in risonanza alle penne vicine; un display usato, insieme ai colori, per corteggiare la femmina».

Oppure, come avviene in alcune specie di colibrì, il passaggio dell’aria tra le penne della coda durante i voli di corteggiamento produce un effetto sonoro, sul quale, come OggiScienza ha raccontato qui, alcune specie sono perfino in grado di “barare”.

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