Il volo elettrostatico dei ragni

 

Piero Sagnibene

 

31 ottobre del 1832 – a bordo del Beagle

… La nave era a sessanta miglia da terra [112km circa n.d.r.], da dove soffiava una brezza costante ma leggera.
Innumerevoli ragnetti, lunghi un paio di millimetri e di color rosso scuro, stavano attaccati alle ragnatele;
sulla nave ve ne erano forse alcune migliaia. Quando questi fiocchi toccavano il sartiame, il ragno lo si trovava
attaccato ad un filo isolato, non alla massa globosa, formata apparentemente da un singolo filo aggomitolato. … 

ebbi occasione di osservare … un ragno, lungo circa otto millimetri … mentre stava posato in cima ad un

palo, emise quattro o cinque fili dalle sue filiere.

Questi scintillavano al sole e parevano raggi luminosi divergenti, ma non erano dritti, bensì ondulati come fili di seta agitati dal vento.

Erano più lunghi di un metro e, uscendo dagli orifizi, divergevano verso l’alto. Il ragno lasciò improvvisamente la presa sul palo e fu rapidamente trascinato fuori dalla vista … Credo sia stato Murray [Andrew Murray, naturalista scozzese – 1812-1878 n.d.r.] che ha tentato di spiegare la divergenza dei fili con la repulsione di cariche elettriche uguali.
                                                                                                                                     Charles Darwin

Alcuni studiosi sostengono che i ragni furono i primi animali superiori a colonizzare le terre emerse.
È noto, ad esempio, che i ragni sono i primi animali terrestri ad arrivare sulle nuove isole di origine vulcanica e sono presenti in tutti i continenti, eccetto ai poli e nelle zone gelide. I ragni sono considerati uno dei gruppi di organismi di maggior successo della storia naturale e vivono in quasi tutti gli ecosistemi terrestri nei quali hanno un impatto significativo sulla composizione e la diversità; esercitano, infatti, un ruolo chiave come predatori carnivori e la comunità globale di ragni consuma tra 400 e 800 milioni di tonnellate di prede all’anno. I reperti fossili attestano che i principali gruppi di ragni moderni (Aranomorfi e Mygalomorfi) apparvero nel Triassico inferiore, circa 200 milioni di anni fa.

I ragni non possiedono ali e non sono capaci di nuotare (a parte qualche rara specie che si è adattata a vivere sulle acque stagnanti) ma la loro distribuzione su tutte le terre emerse mostra che hanno potuto diffondersi attraversando oceani, superando catene montuose, deserti, ecc.

Si pensava che la loro diffusione fosse dovuta a correnti ascensionali, che fossero trasportati, o che si lasciassero trasportare dai venti, finché non si osservò che essi avevano un ruolo attivo nel servirsi de trasporto eolico venti.

La domanda che sorge é perché un animale privo di ali ed incapace di nuotare negli oceani, si affida ad un volo rischioso, che non può controllare, senza sapere quanto durerà, nè dove atterrerà dopo un viaggio di centinaia, a volte migliaia di km che lo obbliga a digiunare, talvolta per un anno, che lo porta fino ad altezze di 4-5 km, a migliaia di km dalla costa?

Molti animali compiono regolarmente viaggi di migliaia di km, ma si tratta di viaggi attivi, compiuti lungo rotte definite e vincolate ad un viaggio di "ritorno", e che sono indotti da scopi riproduttivi o da particolari condizioni ambientali (es. la scarsità di cibo). I ragni non compiono “migrazioni” ed i loro spostamenti sembrano legati alla naturale necessità degli organismi di disperdersi.

La spiegazione che sia la sola spinta eolica a tenerli in volo, pur contenendo una parte importante di verità, si mostra però insufficiente per il fatto che i ragni spesso prendono il volo anche quando le correnti d’aria sono troppo deboli a sostenerne il peso o, addirittura, in assenza di vento. Recenti ricerche hanno mostrato che questa capacità di dispersione si avvale sì del trasporto eolico, ma anche dall'utilizzazione di forze elettrostatiche, cioè la carica elettrica naturale dell'aria che "aggancerebbe" i fili di seta dei ragni.

La ragnatela, che i ragni tessono allo scopo di intrappolare le proprie prede, in genere insetti, in alcune specie può funzionare anche come una vela e trasformarsi in un efficiente mezzo di trasporto aereo. Questa tecnica è detta spider ballooning (mongolfiera). La ragnatela è una sottile tela costituita da fili microscopici e adesivi. A seconda della specie, un ragno può possedere fino a otto ghiandole per la produzione della seta, ciascuna delle quali estrude un tipo distinto di seta con proprie caratteristiche fisiche. La seta di ragno è nota come un efficace isolante elettrico e fu utilizzata nelle prime misure quantitative di carica elettrostatica da Michael Faraday. La ragnatela ha un tracciato che segue una spirale di Archimede, nella quale le varie successive spire sono equidistanti. Si tratta della costruzione più difficile del Περì Eλικων (Perì Elikon. Sulle spirali) dello scienziato siracusano.

Per descrivere il suo tracciato possiamo immaginare la curva descritta dalla puntina di un giradischi dove la distanza dal centro è sempre proporzionale all’ampiezza dell’angolo coperto durante lo spostamento. Il fatto che questi sottili fili riescono a resistere alla spinta del vento senza rompersi è mostrato anche dalla capacità di assorbire l'urto degli insetti volanti e dalla industria, con la produzione di alcuni strati dei giubbotti in grado di disperdere la forza d'urto di un proiettile in orizzontale, limitandone la penetrazione.

L’importanza della seta dei ragni è mostrata, inoltre, dalla ingegneria genetica che tenta di farla produrre da altri viventi, in particolare dalle pecore, dal latte delle capre e dalle foglie di alcune piante, come il tabacco.
La ragnatela può costituire una quasi invisibile vela da parapendio in nano-fibre. Il parapendio è uno speciale paracadute orientabile di forma rettangolare o triangolare, usato per lanciarsi lungo ripidi versanti montuosi e che consente di operare evoluzioni spettacolari grazie a due bretelle collegate alle corde che hanno la funzione di manubrio. Le fibre che il ragno usa come parapendio sono invisibili all’occhio umano: hanno uno spessore di 200 nanometri, mentre lo spettro della luce visibile ha una lunghezza d’onda da 400 a 700 nanometri.

Non tutti i ragni costruiscono parapendii; alcuni, come osservò Darwin, emettono quattro o cinque fili lunghi più di un metro, che non si aggrovigliano ma si allargano a forma di cono rovesciato per l'azione della forza elettrostatica che allontana cariche di uguale segno. Prima di prendere il volo, i ragni testano direzione e velocità del vento sollevando due zampe per 5-8 secondi. La postura assunta dai ragni, mostrata appena prima del balloning, è chiamata tiptoeing. Il saggio delle condizioni del vento si avvale dei tricobotri, peli che sono nelle giunture dei loro arti e che sono sensori meccano recettori, la cui sensibilità è tale da permettere al ragno di percepire con precisione persino il movimento delle ali di una mosca e poterla catturare. Nelle giornate calde e con una brezza non più veloce di tre metri al secondo sollevano l'addome liberando una sessantina di fili di seta, e formando un parapendio triangolare che poi usano per lasciarsi sollevare e trasportare dal vento.

Sperimentalmente si è scoperto che i ragni sono dotati anche di tricobotri elettro-sensori, generalmente localizzati sui femori del secondo paio di zampe, i quali si contraggono, si sollevano e si abbassano in risposta alle forze elettrostatiche quando nell’atmosfera sono presenti campi elettrici. L'atmosfera terrestre, infatti, è

 

una sorta di gigantesco circuito elettrico. Salendo, si trova una carica positiva, mentre la superficie del pianeta ne ha una negativa. I ragni utilizzano questo campo per volare: quando la seta lascia il loro corpo, si attacca a una carica negativa, che repelle le cariche di segno simile, e ha dunque la tendenza a salire lungo il gradiente elettrico verso il cielo. I ragni si sono evoluti all’interno del circuito elettrico atmosferico globale della Terra (GEC) che ha dimensioni planetarie, ed hanno imparato a sfruttarlo grazie alla complessa struttura proteica della seta; questa contiene amminoacidi glutammici e arginina capaci di sopportare cariche elettriche, le quali potrebbero essere generate come sottoprodotto del processo di filatura.

Da una postazione elevata, i ragni alzano una zampa e saggiano il vento, la presenza delle correnti ascensionali adatte (con velocità compresa tra 0,1 e 0,5 metri al secondo) necessarie a un decollo sicuro e/o la presenza di sufficienti forze elettrostatiche. Il check-in dura appena 5 secondi. Se la velocità del vento è tra 1 e 3 metri al secondo posizionano l’addome in direzione del vento e producono la loro “vela” con le ghiandole che producono la seta, a forma di parapendio oppure di cono rovesciato, e si sollevano grazie all’interazione con le forze elettrostatiche.
Salendo sulle piante, che hanno la stessa carica del terreno, ma protrudono verso il cielo, la spinta che un ragno può ricevere è ancora più potente. La secrezione dei fili di seta, infatti, induce su di essi delle cariche elettrostatiche che producono due effetti dominanti: da un lato si ha una repulsione tra i diversi fili di seta (che hanno tutti lo stesso tipo di carica), e queste cariche subiscono una forza elettrostatica dovuta al campo elettrico atmosferico terrestre, che quindi si aggiunge alla forza aerodinamica.

Si assicurano con un filo doppio alla base di partenza, e continuano a produrlo per 2-5 metri mentre sono in volo. Poi il filo che li trattiene si spezza. Le sottili fibre nanometriche sfruttano la forza viscosa dell’aria ed il ragno viene tirato su da una corrente ascensionale e dalle forze elettrostatiche. La somma di questi effetti microscopici sulle fibre fa volare il ragno. Si riteneva che i ragni spiccassero il volo sfruttando le sole correnti ascensionali termiche, ma alcune specie sono in grado di sfruttare il gradiente di potenziale atmosferico, un circuito elettrico tra il pianeta e la ionosfera che aumenta in intensità durante le perturbazioni (come i temporali) e sono in grado di volare sfruttando soltanto i campi elettrici dell'atmosfera.

 Anche quando l’aria è calma e le correnti d’aria sono insufficienti a sostenerne il peso, i ragni possono spingere se stessi usando campi elettrici o elettromagnetici. I campi elettrici utilizzati dai ragni per la propulsione fanno parte del circuito elettrico atmosferico globale della Terra (GEC), che ha dimensioni planetarie. I temporali contribuiscono a creare differenze di carica tra il suolo e la ionosfera a 50 km di altezza. La caduta di tensione è di ben 250.000 volt; questo fatto crea campi elettrici che collegano la Terra al limite dello spazio. I raggi cosmici ionizzano l’atmosfera terrestre, trasformandola in un debole conduttore che consente alle correnti di fluire attraverso il GEC. Dal momento che i campi elettrici vengono turbati dai raggi cosmici e dalla attività solare, i ragni possono essere influenzati dalle condizioni meteorologiche spaziali a causa delle connessioni tra il tempo atmosferico e l’elettricità atmosferica su una varietà di scale temporali. Le espulsioni di massa coronale dal sole, durante il giorno, possono spazzare via i raggi cosmici mentre passano sulla Terra, causando temporanee riduzioni della ionizzazione atmosferica fino al 30%. Ogni 27 giorni. le tensioni possono oscillare di 15% quando la Terra entra ed esce dal foglio di corrente eliosferico che è una enorme struttura magnetica ondulata centrata sul sole. Le tensioni atmosferiche, nel corso dell’anno, possono diminuire di circa il 25% a causa di una diminuzione a lungo termine dei raggi cosmici.

Ogni giorno circa 40.000 temporali trasformano la Terra in un gigantesco circuito elettrico, in cui l'alta atmosfera è caricata positivamente, e la superficie del pianeta fa da polo negativo. Anche nei giorni di sole, la differenza di potenziale elettrico per ogni metro d'aria sopra alla superficie è di circa 100 volt; nei giorni di maltempo, questo gradiente  può aumentare di decine di migliaia di volte. I ragni, a quanto pare, sfruttano abilmente questa differenza di cariche e le forze che ne derivano per i propri viaggi aerei.  Quando i ragni hanno costruito il parapendio per il ballooning ed il campo elettrico è stato attivato.
Almeno per i piccoli ragni, il campo elettrico, senza alcun aiuto dalle correnti d'aria verso l'alto, può innescare il ballooning; la spinta calcolata verso l'alto è stata di 8,5 centimetri al secondo.

I ragni si levano in volo ed, in volo, possono attivare o disattivare il campo elettrico; ciò consente loro di alzare o abbassare di quota per spostarsi utilizzando le forze elettrostatiche, quindi usano attivamente queste forze per spostarsi. I ragni si cimentano nel ballooning anche in giornate senza un soffio di vento e ciò dimostra che il naturale campo elettrico terrestre è sufficiente, da solo, a spiegare la capacità dei ragni di "spiccare il volo". I meccanismi alla base della dispersione dei ragni sono fondamentali per descrivere le dinamiche della popolazione, le distribuzioni delle specie e la resilienza ecologica ai cambiamenti, ed hanno grande importanza per l'ecologia globale. I ragni esercitano un impatto significativo sulla composizione e la diversità degli ecosistemi e, dal momento che il ballooning coinvolge una porzione significativa di movimenti stagionali, il fenomeno ha implicazioni per la previsione del trasporto di sostanze nutritive, di ag-enti patogeni, di parassiti agricoli e dei loro predatori tra gli ecosistemi.

 

 

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