Troppe cose buone non vanno affatto bene. Gli organismi viventi apprezzano la luce solare – in effetti, molti ne hanno bisogno per sopravvivere – ma tendono ad evitare la luce troppo intensa. Gli animali vanno al loro rifugio, gli esseri umani fanno la siesta, anche le piante hanno meccanismi per evitare un’overdose di luce. Ma come reagiscono gli organismi unicellulari immobili alla luce troppo intensa? I ricercatori dell’Università di Amsterdam hanno scoperto la risposta sorprendente.
Evitare la luce intensa
Il suo nome scientifico completo è Pyrocystis lunula. Forse non hai mai sentito parlare di quest’alga unicellulare, ma marinai e pescatori conoscono molto bene il suo effetto: il P. lunula le alghe sono gli organismi che occasionalmente fanno brillare il mare di blu. P. lunula è un esempio di dinoflagellato, un organismo unicellulare che non può muoversi da solo. La sua principale fonte di energia è la luce solare: simile alle piante, utilizza una struttura detta a cloroplasto per convertire l’energia della luce solare in energia chimica utilizzabile.
Le piante intorno a noi usano una strategia intelligente quando sono esposte a una luce troppo intensa: i loro cloroplasti si riorganizzano all’interno delle loro cellule e si coprono collettivamente l’uno con l’altro, in modo tale che venga assorbita solo la quantità necessaria di luce e che i danni alle cellule siano riparati. prevenuto. P. lunula non può utilizzare la stessa strategia: ha cloroplasti organizzati sotto forma di una rete complessa, che necessita di una diversa forma di movimento per evitare la luce intensa. Inoltre, l’alga non può allontanarsi facilmente dalla luce come fanno gli animali e gli esseri umani. Come questi organismi riescano a gestire quantità eccessive di luce è un mistero scientifico. Un mistero che ora è stato risolto.
Un cloroplasto flessibile
I biofisici Nico Schramma, Gloria Casas Canales e Maziyar Jalaal hanno ideato un modo intelligente per studiare cosa succede esattamente al cloroplasto di P. lunula quando è esposto alla luce. Usando la microscopia, hanno catturato filmati della cellula e del suo cloroplasto e poi hanno adattato una rete di nodi e bordi alla sua forma complessa utilizzando algoritmi informatici. Facendo ciò in condizioni di cambiamento del colore e dell’intensità della luce, hanno potuto seguire esattamente ciò che stava facendo il cloroplasto della cellula.
Ciò che i ricercatori hanno scoperto è che, sebbene il cloroplasto non possa sfuggire alla luce intensa, può minimizzarne l’effetto restringendosi. Quando esposto a una luce bianca brillante, essenzialmente la luce di un pomeriggio soleggiato, il cloroplasto della cellula si è ridotto a una palla, riducendo le sue dimensioni di circa il 40% in cinque minuti. Quando le condizioni di luce furono cambiate in una luce rossa fioca, entro mezz’ora il cloroplasto tornò alla sua dimensione e forma originali.
Si è scoperto che la struttura che consente al cloroplasto di apportare queste modifiche necessarie è una rete di filamenti sottili. Insieme, questi filamenti formano un materiale che può facilmente contrarsi ed espandersi in tutte le direzioni. Il punto chiave è il ‘in tutte le direzioni’: la maggior parte delle strutture che troviamo in natura non possiedono questa proprietà. Sali su un limone e, mentre la sua altezza diminuirà drasticamente, la sua dimensione aumenterà nelle altre direzioni, trasformandolo in un oggetto a forma di disco che ha ancora una superficie considerevole. P. lunula riesce ad evitare questo comportamento naturale.
La sfera di Hoberman della natura
La struttura che consente al cloroplasto di diminuire di dimensioni in tutte le direzioni è in qualche modo simile a quella di una sfera di Hoberman, un design brevettato da Chuck Hoberman nel 1988 e utilizzato nei popolari giocattoli per bambini. Questa osservazione collega la ricerca dei fisici non solo alla biologia ma anche alla matematica – più precisamente, quella branca della matematica conosciuta come topologia – e alla progettazione dei materiali: materiali realizzati in laboratorio che hanno esattamente le proprietà sorprendenti che la sfera di Hoberman e P. lunuladi cloroplasti, sono stati studiati intensamente di recente con in mente tutti i tipi di applicazioni, ad esempio come “materiali intelligenti” che cambiano significativamente le loro proprietà quando sperimentano stimoli esterni. Sorprendentemente, le soluzioni intelligenti che ingegneri e fisici escogitano in laboratorio si rivelano presenti nella natura vivente.
Quando si risponde ad una singola domanda scientifica, a volte seguono molte altre risposte e scoperte. Questo potrebbe essere il caso della domanda su come P. lunula e altri dinoflagellati riescono a evitare la luce intensa. La sua risposta non solo ci dice di più su questo minuscolo organismo unicellulare che a volte fa brillare il mare di blu, ma ci insegna anche sulle strutture in natura, su come applicano complesse matematiche e ci insegna lezioni preziose che possiamo applicare quando progettiamo il nostro pianeta. possedere nuovi materiali.
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