Sbircia in una pozza di marea lungo la riva e potresti vedere una stella marina aggrappata silenziosamente a una roccia. Ma quell'età adulta sicura arriva a scapito di un viaggio straziante delle larve. Piccole larve di stelle marine - ciascuna più piccola di un chicco di riso - trascorrono 60 giorni e 60 notti a remare in mare aperto, nutrirsi per accumulare l'energia necessaria per trasformarsi nella familiare forma a stella.

Lungo il percorso le larve devono fare dei compromessi tra pagaiare in cerca di cibo e esaurirsi per il viaggio. Ora in un Fisica della natura paper un team guidato dal bioingegnere di Stanford Manu Prakash ha rivelato il meccanismo bello ed efficiente che consente a queste umili creature di sopravvivere fino all'età adulta.

"Abbiamo dimostrato che la natura equipaggia queste larve per agitare l'acqua in modo tale da creare vortici che servono a due scopi evolutivi:spostare gli organismi mentre contemporaneamente avvicinare il cibo abbastanza da afferrare, " disse Prakash, un assistente professore di bioingegneria e recente vincitore della borsa di studio "genio" della Fondazione MacArthur.

Utilizzando tecniche sperimentali che catturano la bellezza visiva e le basi matematiche di questo meccanismo, i ricercatori mostrano come la forma e la forma delle larve di stelle marine consentono le funzioni necessarie per sostenere la vita.

"Quando vediamo forme strane e belle in natura le riportiamo in laboratorio e ci chiediamo perché si sono evolute in questo modo, " Ha detto Prakash. "Questa è la prospettiva che portiamo alla biologia:capire matematicamente come la fisica modella la vita".

William Gilpin, primo autore della carta e uno studente laureato nel Prakash Lab, ha affermato che questi risultati fanno luce su sfide evolutive simili che coinvolgono dozzine di invertebrati marini che sono legati in modo chiave alle larve di stelle marine.

"L'evoluzione cerca di soddisfare i vincoli di base, " ha detto Gilpin. "Vince la prima soluzione che funziona molto spesso".

vortici complessi

Questi esperimenti sono iniziati nell'estate del 2015 presso la Hopkins Marine Station di Stanford a Pacific Grove, California. I ricercatori stavano seguendo un corso di embriologia quando hanno iniziato a interrogarsi sulle basi evolutive della forma della larva della stella marina:perché ha finito per apparire così.

Riportando questa curiosità in laboratorio, il gruppo ha studiato gli organismi in modo sistematico, nutrendo le larve di alghe nutritive e osservando i loro movimenti con microscopi video-abilitati.

"Il nostro primo momento eureka è arrivato quando abbiamo visto i complessi vortici che scorrevano intorno a questi animali, " disse Vivek Prakash (nessuna parentela), borsista post-dottorato in bioingegneria e terzo membro del team. "Questo è stato bello, inaspettato e ci ha catturato tutti. Volevamo scoprire come e perché questi animali hanno creato questi flussi complessi".

Gilpin ha detto che i vortici erano sconcertanti perché sembravano non avere alcun senso evolutivo. Ci è voluta molta energia per creare flussi d'acqua a spirale; quindi una larva con solo tre imperativi:nutrirsi, muoversi e crescere - doveva avere un motivo per spendere un tale sforzo.

Orchestra di ciglia

Una volta che i ricercatori hanno scoperto come le larve hanno fatto vorticare l'acqua, quella comprensione li ha portati al perché, e l'esperimento si è concentrato su una delle strutture più diffuse dell'evoluzione, le ciglia, dalla parola latina per ciglia.

Immagina che le ciglia di una larva di stella marina siano come i remi che potrebbero essere usati per remare un'antica galea - tranne che ogni larva ne ha circa 100, 000 remi, disposti in quelle che i ricercatori chiamano bande ciliari che cingono l'organismo in uno schema molto più complesso dei remi di qualsiasi galea.

La metafora del canottaggio suggerisce la complessità che i ricercatori hanno scoperto mentre studiavano come questi 100, 000 ciglia spinsero la larva nell'acqua.

come remi, le ciglia avevano tre potenziali azioni:avanti, invertire e fermare. E proprio come con i remi, le ciglia si muovevano in diversi schemi sincronizzati per creare movimenti diversi. Presumibilmente orchestrato dal suo sistema nervoso, la larva batte i suoi 100, 000 ciglia in determinati modelli quando vuole nutrirsi, in modo da far vorticare l'acqua in modo da avvicinare le alghe abbastanza da poterle afferrare. Quindi, con un diverso battito di ciglia, la larva crea un nuovo schema di spirali e accelera.

I ricercatori si sono resi conto che stavano osservando un meccanismo attivo e precedentemente sconosciuto che migliorava le probabilità di sopravvivenza della larva. La struttura fisica della larva della stella marina, controllato dai suoi nervi, gli consente di fare compromessi tra alimentazione e velocità - indugiando ogni volta che le alghe sono abbondanti, poi sfrecciare via se i nutrienti dovessero scarseggiare.

Considerando le implicazioni di questi risultati, i ricercatori hanno ipotizzato che questo meccanismo feed-versus-speed probabilmente si applicasse ad altre larve di invertebrati che, sebbene diverse nella forma dalle larve di stelle marine, sono comunque note per avere bande ciliari simili. In futuri esperimenti i ricercatori di Stanford prevedono di utilizzare le stesse tecniche per studiare queste altre forme larvali. Quello che sperano di imparare è come l'evoluzione abbia preso un certo meccanismo, la banda ciliare, e ha risolto lo stesso compromesso tra avanzamento e velocità in dozzine di forme e forme diverse.

"Questo è quello che facciamo nel mio laboratorio, " Prakash ha detto, "cercare principi fondamentali che possiamo esprimere in equazioni per descrivere la bellezza, diversità e funzioni delle diverse forme di vita”.

Prakash è anche membro di Stanford Bio-X e Stanford ChEM-H e affiliato dello Stanford Woods Institute for the Environment.