Dalle soffici piume di un anatroccolo alla brillante spirale sulla coda di una Paradisea Reale (Cicinnurus regius), il piumaggio degli uccelli è straordinario non solo nell’aspetto, ma anche per la sua complessa microstruttura. Comprendere l’anatomia delle penne a livello microscopico fornisce informazioni su come esse funzionano. Per esempio, la struttura ad incastro come quella del velcro presente su molte penne degli uccelli, crea una superficie liscia, flessibile e resiliente che favorisce il volo e repelle l’acqua.

Quando le penne crescono, si sviluppano in strutture altamente ramificate. Uno studio accurato di questo processo ha ispirato nuove ipotesi sull’evoluzione delle penne attraverso fasi di crescente complessità: i fossili di dinosauro rinvenuti qualche anno fa dalla Cina e dal Canada, hanno supportato queste ipotesi fornendo campioni per ogni fase del ciclo evolutivo ipotizzato.

Quali sono i tipi di penne e di piume e come funzionano

Come è fatta una penna

Sebbene le penne abbiano un’incredibile varietà di forme, sono tutte costituite da una proteina chiamata cheratina e composte dalle stesse parti di base, disposte in una struttura ramificata. Nelle penne più complesse, il calamo si estende in un rachide centrale che si dirama in barbe, e poi in barbule con piccoli uncini che si incastrano con le barbule vicine. La diversità delle penne deriva dall’evoluzione in piccole modifiche di questa struttura ramificata così che possano svolgere diverse funzioni.

Le penne lanuginose, ovvero le cosiddette piume, appaiono soffici grazie all’ampia disposizione della microstruttura composta da barbe flessibili e barbule relativamente lunghe che intrappolano l’aria vicino al corpo caldo dell’uccello. Le piume sono compatte e prevalentemente piatte, caratteristiche dovute a una piccola alterazione della struttura: i ganci microscopici sulle barbule si incastrano per formare una barriera anti vento e impermeabile che consente agli uccelli di volare e rimanere asciutti.

Struttura di penna e piuma

Le penne che compongono il piumaggio di un uccello si dividono in sette ampie categorie basate sulla struttura e posizione sul corpo dell’uccello.

Penne remiganti

Le penne specializzate per il volo sono caratterizzate da superfici uniformi anti vento, o lamine, su entrambi i lati del rachide centrale che sono create da una microstruttura ad incastro. Chiamate anche remiganti, queste penne sono asimmetriche e hanno un bordo più corto e meno flessibile che impedisce torsioni a mezz’aria.

Struttura di una penna remigante

Penne timoniere

La maggior parte delle penne timoniere, dette anche rettrici, presenta una microstruttura ad incastro simile alle penne remiganti. Disposte a forma di ventaglio, queste penne permettono le virate di precisione in volo. Tipicamente, gli uccelli hanno sei paia di penne sulla coda, che mostrano livelli crescenti di asimmetria verso le coppie esterne. In alcuni uccelli, le penne timoniere si sono evolute in ornamenti appariscenti che non hanno utilità in volo.

Struttura di una penna timoniera

Penne di contorno

Le penne di contorno sono quelle che delimitano il corpo del volatile e sono tutte strutturate allo stesso modo. Disposte in modo da sovrapporsi l’una all’altra, le punte di queste penne sono impermeabili ed esposte agli elementi, mentre le basi soffici sono nascoste vicino al corpo.

Siano esse brillantemente colorate o uniformemente grigiastre, le piume di contorno possono anche aiutare l’uccello a mettersi in mostra o a rimanere mimetizzato. Le penne di contorno sulle ali, chiamate copritrici, le modellano in un profilo aerodinamico efficiente, creando una superficie piana nella regione in cui le remiganti si attaccano all’osso.

Struttura di una penna di contorno

Semipiume

Per lo più nascoste in mezzo ad altre penne, le semipiume hanno la stessa struttura delle penne di contorno, dalle quali sono per lo più mascherate. Esse hanno sviluppato un rachide centrale ma senza uncini nelle barbule, creando una struttura piumosa isolante.

Si distinguono dalle piume per il fatto che il rachide è più lungo della barba più lunga.

Struttura di una semipiuma

Piume

Simili alle semipiume con una struttura ramificata ancora più larga, ma con una piccola o nessuna rachide centrale, le piume sono relativamente corte e posizionate più vicine al corpo dove intrappolano il calore corporeo.

Le piume, una volta sviluppate, coprono completamente il corpo dei pulcini e negli adulti costituiscono un soffice rivestimento a diretto contatto con la pelle, coperto dalle penne di contorno. Per lo più si possono trovare sull’addome e negli uccelli che vivono in aree geografiche dal clima rigido, come il Gufo delle Nevi (Bubo scandiacus), o quelli acquatici sono particolarmente abbondanti.

Struttura di una piuma

Filopiume

Sono le piume più piccole e con una struttura simile a quella dei capelli, hanno poche e corte barbe o barbule e funzionano come i baffi dei mammiferi, percependo la posizione delle altre penne grazie al loro follicolo dotato di numerose terminazioni nervose e aiutandole nella loro funzione, facendole per esempio disporre per il volo, per l’isolamento termico o per un tuffo in acqua.

Struttura di una filopiuma

Setole

Le setole sono il tipo di penna più semplice, con un rachide rigido che di solito è privo diramazioni di barbe. Sono situate soprattutto alla base del becco e sopra gli occhi, in alcuni uccelli persino sulle dita dei piedi, dotate probabilmente di funzione sensitiva.

Anche se la loro funzione è prevalentemente tattile, spesso servono da filtro, specie se poste dinanzi alle narici e al meato uditivo.

Struttura di una setola

A cosa servono le penne e le piume?

Ogni penna sul corpo di un uccello è una struttura accuratamente regolata che svolge un ruolo importante nelle sue attività. Le penne permettono agli uccelli di volare, ma aiutano anche a mettersi in mostra, a mimetizzarsi, a stare al caldo e a rimanere asciutti. Alcune penne si sono evolute come strutture aerodinamiche specializzate per un volo efficiente, altre sono state modellate in appariscenti forme ornamentali ma che possono in alcuni casi ostacolare la mobilità.

Possiamo quasi sempre capire facilmente qual è il funzionamento di una penna, ma a volte il suo ruolo non è ben chiaro e si rende necessario uno studio scientifico per avere una più chiara comprensione.

Volo

Le penne remiganti primarie e secondarie permettono agli uccelli di volare. A differenza delle altre penne, le remiganti sono ancorate all’osso con forti legamenti, in modo che possano resistere alle sollecitazioni del volo ed essere posizionate con precisione.

Le remiganti primarie sono le penne di volo più lunghe. Occupano la metà esterna dell’ala, possono essere controllate e ruotate come delle dita rigide e forniscono la maggior parte della spinta in avanti dell’uccello.

Nonostante le remiganti secondarie non possano essere controllate in modo preciso, esse forniscono la maggior parte della spinta ascensionale sovrapponendosi per formare un profilo alare efficiente.

Anche le penne timoniere hanno la funzione di regolare il volo. Sono essenziali per virare, ma solo le due penne più centrali si attaccano all’osso.

Naturalmente non tutti gli uccelli volano; le penne delle ali degli uccelli incapaci di volare, come lo struzzo (Struthio camelus) si sono evolute per essere soffici e ornate piuttosto che strettamente collegate al volo.

Aquila calva che vola

Esibizione

Alcune penne sono si sono così altamente modificate per le dimostrazioni visive che non sembrano quasi più delle penne. Ad esempio, la spirale iridescente della coda di una Paradisea Reale (Cicinnurus regius) funziona come ornamento nelle esibizioni di corteggiamento dei maschi. Strutturalmente, la penna è bizzarra: presenta un rachide nudo che termina in una stretta spirale di barbe e barbule disposte solo su un lato del rachide per formare un brillante medaglione appariscente.

Anche le penne di contorno modificate che si trovano sulla testa sono usate nei rituali di corteggiamento. Ad esempio, la cresta del maschio di Anatra Sposa (Aix sponsa) forma un ventaglio colorato che cambia completamente la forma della sua testa. Durante questa trasformazione, l’uccello alza migliaia di piccole piume all’unisono, manipolando muscoli che si trovano appena sotto la pelle.

Non tutte le penne stravaganti sono usate per corteggiare un partner, alcune sono infatti usate in manifestazioni di aggressività. Ad esempio, la Ghiandaia Azzurra Americana (Cyanocitta cristata) mantiene la cresta abbassata quando è a riposo o con membri della famiglia e dello stormo, ma la alza durante le interazioni aggressive.

Cresta di anatra sposa

Cammuffamento

Le penne di contorno scure che coprono il corpo di alcuni uccelli possono sembrare poco belle esteticamente, ma i minuziosi pattern marroni possono permettere un alto livello di mimetizzazione negli ambienti boscosi. Famoso per nascondersi in bella vista, il Nittibio Comune (Nyctibius griseus) è ricoperto di piume che imitano i colori dei rami degli alberi su cui poggia; inoltre questo nittibio può anche regolare la sua postura e chiudere gli occhi in piccole fessure per sembrare un’estensione dell’albero.

Non tutti i piumaggi volti al camuffamento devono però avere colori spenti o scuri. Ad esempio, le vivaci piume verdi del maschio di Pappagallo Eclettico (Eclectus roratus) svolgono una funzione di mimetizzazione durante gli spostamenti per il foraggiamento nelle chiome della foresta pluviale. Quando torna nella cavità del nido, dove il verde contrasta con la corteccia marrone dell’albero, la colorazione del maschio favorisce l’intensa competizione con gli altri maschi per conquistare le femmine.

I maschi di eclettico probabilmente hanno evoluto la loro colorazione verde come compromesso tra mimetizzazione ed esibizione per il corteggiamento. Questo è un raro esempio di penne che permettono agli uccelli sia di nascondersi che di mettersi in mostra.

Mimetismo degli uccelli

Isolamento

Ti sei mai chiesto perché alcuni uccelli nascono altriciali mentre altri sono ricoperti da un mantello di piume lanuginose? Molti giovani uccelli acquatici devono essere in grado di nuotare e foraggiare accanto ai loro genitori quasi subito dopo la nascita; questi pulcini precoci escono dalle uova con uno strato completo di piume per tenerli caldi nelle acque fredde. I giovani cigni reali (Cygnus olor), ad esempio, nascono con uno strato di piume lanuginose che, dopo alcune settimane, vengono sostituite con uno strato interno di piume adulte e uno strato esterno di penne di contorno. Al contrario, i giovani di molti uccelli canori nascono completamente nudi.

Queste specie altriciali si riscaldano assorbendo il calore dei genitori e rannicchiandosi insieme in un nido isolato. Assolutamente dipendenti dopo la schiusa, i pulcini altriciali come quelli di Rondine Comune (Hirundo Rustica), richiedono molte cure da parte dei genitori.

Due anatroccoli di cigno

Impermeabilità

Disposti in un pattern sovrapposto sul corpo dell’uccello per esporre le punte impermeabili, le penne di contorno fanno si che l’acqua di scivoli via dalla schiena del volatile. Gli uccelli mantengono costantemente il loro manto impermeabile attraverso un’intensa cura del corpo, detta preeninggrooming.

Questa struttura ad incastro è così importante che qualsiasi problema relativo ad essa può lasciare l’uccello impregnato d’acqua e indifeso. Per le anatre e gli uccelli come la Strolaga Maggiore (Gavia immer), che trascorrono la maggior parte del loro tempo in acqua, mantenere un rivestimento impermeabile è fondamentale per la sopravvivenza.

penna impermeabile con gocce d'acqua

Ancora un mistero

La funzione di alcune penne rimane ad oggi un mistero. I ciuffi di piume sulle teste dei gufi della Virginia (Bubo virginianus) vengono spesso scambiati per orecchie, ma queste piume di contorno modificate sono in realtà completamente separate dall’orecchio e non contribuiscono in nessun modo all’udito dei gufi.

Non però c’è consenso scientifico sulla funzione di questi ciuffi, alcuni hanno ipotizzato che queste “corna” servano per le esibizioni visive, mentre altri hanno suggerito che i gufi li usino per un camuffamento più completo mentre si appostano alla luce del giorno. Ma sono possibili anche altre funzioni e nessuno ha ancora effettuato uno studio dettagliato per scoprirlo.

Ciuffi sulla testa di un gufo della Virginia

Come si sviluppano le penne?

Le penne sono strutture morte che non possono ripararsi da sole se danneggiate; poiché una copertura sana e funzionale è fondamentale per la sopravvivenza, ogni anno gli uccelli perdono le loro vecchie penne e ne fanno crescere di nuove. Questo processo di muta, negli uccelli chiamato muda, è un processo accuratamente programmato durante il quale le penne vengono perse e successivamente sostituite per un periodo che dura settimane, così che l’uccello possa mantenere il suo strato protettivo esterno e la capacità di volare. Una volta che il nuovo set di piume si è sviluppato, la muda è completa e una nuova crescita avviene prima del successivo ciclo di muda solo quando le penne vengono perse accidentalmente.

Uno sguardo ravvicinato alla crescita delle penne rivela come si formano queste strutture complesse:

  1. Ogni nuova penna cresce da una piccola escrescenza della pelle chiamata papilla dermica.
  2. Quando le penne maturano, le loro punte vengono allontanate dalla papilla dermica, dove si formano le nuove parti della penna. Come i capelli umani, le penne sono più giovani alla base.
  3. La struttura della penna si sviluppa man mano che le proteine vengono deposte sulla superficie della pelle circostante. È qui che il pattern ramificato si forma dai rami più piccoli che si fondono alla base per renderli più spessi: le barbule si fondono in barbe e le barbe si fondono in un rachide.
  4. Mentre la penna cresce, rimane arrotolata in una forma tubolare attorno alla papilla dermica fino a quando non viene spinta lontano dall’area di crescita.
  5. Una guaina protettiva mantiene la forma cilindrica della penna fino a quando inizia a disgregarsi vicino alla punta, permettendo alla parte matura della piuma di spiegarsi.
  6. La guaina cade e il processo di crescita è completo.

Una volta che la penna si spiega, la sua struttura ad incastro è completamente formata. Durante l’anno, l’uccello mantiene le sue penne mature con cure regolari; ogni volta che le barbule si dissestano, l’uccello usa il becco per ricondurle attentamente al loro posto.

Processo di crescita di una penna

Cosa sono le penne immature?

Il termine “penne immature” descrive le penne appena cresciute che si possono osservare su un uccello che sta attraversando una muda. Quando appare per la prima volta sulla pelle dell’uccello, una penna in via di formazione è corta ed è ricoperta dallo stesso tipo di cheratina che costituisce il calamo. Queste sono le penne che stanno crescendo per rimpiazzare una vecchia penna che l’uccello ha perso.

La guaina di cheratina, che è composta principalmente da proteine, è molto simile nella composizione al corno, allo zoccolo o all’unghia di un animale; essa deve essere rimossa in modo che la nuova piuma si “spieghi” e cresca correttamente.

Lo scopo della copertura di cheratina è quello di proteggere la piuma appena cresciuta mentre si sta sviluppando e, man mano che la penna cresce, la guaina che la circonda si allunga con essa. Quando l’uccello si pulisce, aiuta a rimuovere la guaina di cheratina permettendo alla penna di espandersi e spiegarsi mentre si sviluppa.

C’è un afflusso di sangue attivo che nutre la penna in via di formazione che, man mano che la piuma continua a crescere, si deposita alla base della struttura della penna, vicino alla pelle. Queste nuove penne sono molto delicate mentre stanno emergendo, quindi chi possiede un uccello deve fare attenzione quando lo accarezza o interagisce con esso.

Come si sono evolute le penne?

Le penne remiganti, con la loro intricata microstruttura, sono esempi impressionanti di ingegneria naturale. Ma come si sono evolute? Dai reperti fossili, sappiamo che gli uccelli si sono evoluti dai dinosauri, alcuni dei quali avevano le penne; quelle prime penne però non avevano nulla a che fare con il volo, probabilmente aiutavano i dinosauri nelle dimostrazioni visive.

Gli scienziati hanno elaborato un’ipotesi sull’evoluzione delle penne remiganti. Probabilmente hanno iniziato come semplici ciuffi, per poi gradualmente svilupparsi attraverso fasi di crescente complessità in strutture interdipendenti in grado di sostenere il volo.

  1. La prima penna era un semplice tubo cavo.
  2. Il semplice tubo si è evoluto in un gruppo di barbe.
  3. (a) La base delle barbe si fonde insieme per formare un rachide centrale e (b) barbule ramificate dalle barbe, come possiamo osservare nelle piume dei giorni nostri.
  4. Le barbule si sono evolute in uncini che si incastrano per formare le lamine piatte come nelle attuali penne di contorno.
  5. La struttura delle penne si è evoluta asimmetricamente sviluppando le proprietà aerodinamiche delle remiganti odierne.

come si sono evolute le penne

Le prove fossili scoperte in Cina e in Canada hanno confermato che gli antenati degli uccelli possedevano effettivamente penne da ciascuna delle fasi di questo percorso evolutivo. Sorprendentemente, molti dinosauri teropodi avevano semplici penne nella prima fase evolutiva che coprivano i loro corpi; questa “lanugine” copriva persino i parenti stretti del grande Tyrannosaurus rex. Queste prime penne potrebbero essere state isolanti o, se colorate, potrebbero aver aiutato i dinosauri a esibirsi o a rimanere mimetizzati.

Ci sono anche prove intriganti di penne più complesse allo stadio 3 e 4 da reperti di dinosauri come l’Ornithomimus edmontonicus. Da adulti, queste creature grandi e massicce sfoggiavano penne disposte lungo strutture a forma di ala, ma non sono state trovate tracce di queste penne tra gli esemplari giovani. Ciò suggerisce che anche quando i dinosauri hanno iniziato a evolvere le ali, le penne delle ali erano probabilmente utilizzate per il corteggiamento o reclami territoriali, non per il volo.

Fossile di Microraptor zhaoianus mostra come i dinosauri avessero le penne

Sebbene ci possa volere del tempo perché le persone si abituino all’idea di dinosauri mangiatori di carne lanuginosi o elaboratamente piumati, questa scoperta scientifica ci ricorda che porre domande da più prospettive aiuta a generare nuove ipotesi verificabili e conoscenze scientifiche. Per questo motivo, sta diventando sempre più comune per gli scienziati lavorare in diverse discipline. In effetti, il campo della biologia evolutiva dello sviluppo (EVO-DEVO) si concentra sulla scoperta del passato evolutivo di una struttura osservando il suo processo di crescita e sviluppo.


Fonte principale e articolo originale: allaboutbirds.org

Potrebbe interessarti anche…