Primavera, sole, brezza leggera. Immaginate di rilassarvi nuotando tranquillamente in una piscina di…calcestruzzo fresco! Sì, avete capito bene: calcestruzzo fresco! Riuscite ad immaginare quanta fatica dovreste fare per muovervi in una piscina del genere?! (considerando che il calcestruzzo è circa 1000 volte più denso dell’acqua!) Ecco, state sperimentando quello che quotidianamente i microrganismi si trovano ad affrontare. Già, si dà il caso infatti che a dimensioni molto piccole l’idrodinamica debba fare i conti con un numero di Reynolds estremamente basso…ok, ma cosa vuol dire questo?
Il numero di Reynolds non è altro che il rapporto tra le forze di inerzia che tendono a far muovere un corpo e le forze viscose che tendono ad ostacolarne il movimento. Per farla semplice: questo numero indica se è più rilevante chi si sta muovendo nel fluido oppure il tipo di fluido. Quando noi facciamo il bagno in una piscina il numero di Reynolds è estremamente alto perché le forze di inerzia legate alla nostra massa e dimensioni sono molto maggiori della viscosità che percepiamo; un microrganismo invece sperimenta la stessa acqua come se avesse una densità enorme (come per noi il calcestruzzo), in quanto la viscosità del fluido è molto più rilevante in rapporto alla sua dimensione.
Ebbene, diversi microrganismi possiedono dei flagelli per spostarsi, ma per molti non sono chiari i meccanismi che rendono possibile il movimento. Un caso emblematico è il protozoo Euglena gracilis: per questo esserino non esistono ad oggi tecniche di microscopia in grado di risolvere la sua tecnica di spostamento. La domanda quindi è: come diavolo fa a muoversi E. gracilis in maniera così efficace nel calcestruz…ehm nell’acqua? Antonio De Simone e il suo gruppo di ricerca alla SISSA di Trieste hanno cercato di rispondere a questa domanda usando la matematica e la fisica!
Bene, se state ancora leggendo l’articolo e non avete chiuso la pagina dopo aver sentito la parola matematica o fisica, vi prometto che la spiegazione sarà breve, senza formule e (spero) chiara. Dunque, E. gracilis come dicevo è un protozoo flagellato, uno dei primi ad essere stato osservato al microscopio da Leeuwenhoek (di lui vi parlavo in un mio precedente articolo ?) e tutt’oggi ancora molto studiato dai ricercatori per le sue peculiarità (ad esempio per il fatto che presenta caratteristiche sia di un animale che di una pianta!…).
…Ma veniamo al movimento: essendo che per gli spostamenti il flagello viene agitato estremamente vicino al corpo, non è possibile apprezzarne e descriverne il movimento in uno spazio tridimensionale con qualsivoglia tecnica di microscopia. Come si può fare allora? Conoscendo la fisica che governa il movimento a scale microscopiche, si può determinare come un numero di Reynolds basso imponga limitazioni notevoli sui movimenti e sulle traiettorie possibili…nello specifico costringendole a forma elicoidale e periodica!
Partendo da immagini in 2D catturate da un semplice microscopio ottico in campo chiaro e utilizzando un modello matematico, De Simone e colleghi hanno cercato quindi di ricostruire il movimento di E. gracilis in 3D. Approssimando il corpo del protozoo ad una forma geometrica tridimensionale e applicando delle formule in grado di definire la posizione del corpo e la rotazione in ogni istante, sono riusciti a descrivere il moto del microrganismo sulla base di due scale temporali:
- Il tempo con cui ondeggia il flagello
- Il tempo in cui compie un giro completo nel movimento ad elica
Dovendo effettuare diversi “colpi di flagello” per terminare un giro d’elica, la traiettoria è stata approssimata ad un lento roteare omogeneo elicoidale perturbato da rapidi e frequenti ondeggiamenti. Oltre alla traiettoria elicoidale, E. gracilis compie anche delle rotazioni attorno a sé stessa in modo periodico, tale che ad ogni giro d’elica si ritrovi nella stessa orientazione di partenza (video in fondo).
Il modello messo a punto per caratterizzare questo movimento estremamente simmetrico può essere considerato una base per predire e valutare anche moti di altri organismi flagellati e, non da ultimo, fornendo un potente strumento per la comprensione delle traiettorie e dei meccanismi di movimento a livello microscopico, potrebbe essere d’aiuto anche per la realizzazione di micro-robot mobili con le più svariate applicazioni. Per citare Feynman: “There is a plenty room at the bottom”, ovvero: “C’è un sacco di spazio (per nuove scoperte) spingendosi nel piccolo”.
P.S. – Per inciso…Galileo non ha mai detto la frase “eppur si muove”! (…ma il nostro super-microrganismo Euglena gracilis non lo sa e si muove lo stesso ?
Roberto Amadio
Bibliografia ed approfondimenti:
M. Rossi, G. Cicconofri, A. Beran, G. Noselli e A. De Simone. “Kinematics of flagellar swimming in Euglena gracilis: Helical trajectories and flagellar shapes”. Proc Natl Acad Sci USA. 2017; 114(50): 13085–13090.
http://www.unipd.it/ilbo/content/supereroi-portata-di-microscopio
Credits foto/video:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/33/FieldofEuglena.gracilis.jpg
M. Rossi, G. Cicconofri, A. Beran, G. Noselli e A. De Simone. “Kinematics of flagellar swimming in Euglena gracilis: Helical trajectories and flagellar shapes”. Proc Natl Acad Sci USA. 2017; 114(50): 13085–13090.
