In qualsiasi stagno apparentemente tranquillo le acque tranquille in realtà pullulano di minuscoli abitanti dello stagno chiamati Euglena gracilis. invisibile ad occhio nudo, l'organismo unicellulare si muove a spirale attraverso l'acqua, trainato lungo un percorso relativamente rettilineo da un'appendice simile a una frusta in cerca del giusto livello di luce.

Ma un nuovo documento pubblicato il 24 settembre in Fisica della natura descrive come, in alcune circostanze, Euglena interrompe il suo avanzamento e inizia a tracciare elaborati poligoni in senso antiorario:triangoli, piazze, pentagoni – in uno sforzo matematicamente definito per trovare un ambiente migliore.

La scoperta, guidato da Ingmar Riedel-Kruse, assistente professore di bioingegneria alla Stanford University, potrebbe aiutare gli scienziati a progettare piccoli robot nuotatori del futuro per essere più efficienti ed efficaci nel manovrare attraverso il flusso sanguigno, Per esempio, o navigare in ambienti acquatici.

"Stiamo cercando di capire i sistemi biologici in modo matematico, " Riedel-Kruse ha detto. "Cicli di feedback apparentemente semplici in singole cellule possono effettivamente generare comportamenti piuttosto complessi al fine di svolgere vari compiti".

Organismo ben studiato

Gli scienziati del 1800 una volta si meravigliarono di aver trovato Euglena - un oblungo verdastro con un occhio rosso e lungo, flagello a forma di frusta per nuotare – al microscopio. Da allora, l'organismo è stato osservato da innumerevoli generazioni di studenti di biologia. Con una tale storia di essere guardato, è stata una sorpresa quando il borsista postdottorato Alan Tsang ha notato per la prima volta il nuovo comportamento di Euglena in un modello al computer che aveva sviluppato per studiare come si muove in relazione alla luce. Nel suo modello, quando simulava un aumento della luce, l'organismo iniziò a tracciare poligoni.

Riedel-Kruse ricordava di essere stato scettico quando Tsang descrisse per la prima volta ciò che il suo modello prevedeva.

"Era difficile credere che fosse vero, "Ho detto Riedel-Kruse. "Pensavo che ci fosse qualcosa di sbagliato nel codice." Ma quando la coppia ha controllato al microscopio - aumentando i livelli di luce come nella simulazione - c'erano i poligoni.

Le forme sono il risultato di come Euglena naviga nel mondo. Poiché l'organismo normalmente rotola attraverso l'acqua sul suo asse longitudinale, l'occhio ruota per rilevare 360 ​​gradi di luce. In condizioni di luce costante - che è normale al microscopio - si snoda lungo un percorso relativamente rettilineo.

Però, Tsang ha detto, se l'occhio rileva una maggiore intensità della luce, l'Euglena fa un giro duro.

"Poi non vedono la luce e nuotano di nuovo dritti, " Riedel-Kruse ha detto. "Ma dal momento che continuano a rotolare, poi, dopo un ciclo completo, vedono di nuovo la luce forte, quindi fanno un'altra forte svolta laterale."

Basta linee rette seguite da curve strette e nasce un triangolo.

Tsang ha notato che nel corso di circa 30 secondi, Euglena si adattò alla luce più forte e le curve si fecero meno brusche, creando poligoni in continua espansione:quadrati, poi i pentagoni – fino a quando, finalmente, l'Euglena si diresse in linea relativamente diritta.

Quanto al motivo per cui nessuno l'aveva visto prima, Riedel-Kruse ha detto che le persone raramente alterano i livelli di luce mentre osservano Euglena al microscopio. Ma poiché Tsang stava specificamente cercando di modellare il modo in cui l'organismo si muove in relazione alla luce, ha fatto qualcosa di insolito e il comportamento è apparso.

Un comportamento nuovo

Riedel-Kruse ha sostenuto che il comportamento ha senso per un'Euglena che nuota in uno stagno sotto una comoda fonte di ombra. Quando incontra improvvisamente la luce del sole, può girarsi rapidamente per cercare una zona d'ombra. Facendo lentamente una spirale verso l'esterno se le prime curve non hanno funzionato, l'Euglena aumenta le sue possibilità di uscire dalla luce del sole.

Il laboratorio di Riedel-Kruse studia Euglena in parte per capire meglio come i microrganismi navigano nei loro mondi acquatici. I ricercatori integrano anche ciò che apprendono su Euglena in configurazioni biologiche interattive per l'istruzione. Euglena è un organismo insolito che può sia produrre il proprio cibo che mangiare ciò che trova nell'acqua. È legato alle piante, animali e funghi – tutti conosciuti come eucarioti – ma è un gruppo separato con alcune caratteristiche uniche.

"Poiché fa parte di un outgroup per la maggior parte della vita eucariotica, potresti imparare qualcosa di generale, e puoi anche scoprire quanto può essere varia la vita eucariotica, " Ha detto Riedel-Kruse. "Questo rende Euglena davvero interessante per me."

Cosa c'è di più, Riedel-Kruse e Tsang hanno affermato che ciò che imparano e i modelli matematici che hanno sviluppato potrebbero essere utili per la robotica su microscala.

"C'è un campo emergente in cui le persone stanno cercando di progettare e programmare la robotica a sciami microscopici per cose come la microchirurgia o la somministrazione di farmaci, "Tsang ha detto. "Vedo sicuramente persone alla ricerca di meccanismi di controllo efficienti su microscala".