La ricerca spiega come un organismo marino unicellulare generi luce in risposta a una stimolazione meccanica, illuminando le onde che si infrangono di notte.

Ogni pochi anni, una fioritura di organismi microscopici chiamati dinoflagellati trasforma le coste di tutto il mondo conferendo alle onde che si infrangono un inquietante bagliore blu. La spettacolare fioritura di quest'anno nel sud della California è stata un esempio particolarmente eclatante. In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno identificato la fisica sottostante che si traduce nella produzione di luce in una specie di questi organismi.

La squadra internazionale, guidato dall'Università di Cambridge, ha sviluppato strumenti sperimentali unici basati sulla micromanipolazione e sull'imaging ad alta velocità per visualizzare la produzione di luce a livello di singola cellula. Hanno mostrato come un organismo unicellulare della specie Pyrocystis lunula produce un lampo di luce quando la sua parete cellulare viene deformata da forze meccaniche. Attraverso la sperimentazione sistematica, hanno scoperto che la luminosità del flash dipende sia dalla profondità della deformazione che dalla velocità con cui viene imposta.

Nota come risposta "viscoelastica", questo comportamento si riscontra in molti materiali complessi come i fluidi con polimeri in sospensione. Nel caso di organismi come Pyrocystis lunula, noti come dinoflagellati, questo meccanismo è molto probabilmente correlato ai canali ionici, che sono proteine ​​specializzate distribuite sulla membrana cellulare. Quando la membrana è sollecitata, questi canali si aprono, permettendo al calcio di muoversi tra i compartimenti della cellula, innescando una cascata biochimica che produce luce.

"Nonostante decenni di ricerca scientifica, principalmente nel campo della biochimica, il meccanismo fisico con cui il flusso del fluido innesca la produzione di luce è rimasto poco chiaro, " ha detto il professor Raymond E. Goldstein, il Professore Schlumberger di Sistemi Fisici Complessi nel Dipartimento di Matematica Applicata e Fisica Teorica, che ha condotto la ricerca.

"I nostri risultati rivelano il meccanismo fisico mediante il quale il flusso del fluido innesca la produzione di luce e mostrano quanto possa essere elegante il processo decisionale a livello di singola cellula, " ha detto il dottor Maziyar Jalaal, il primo autore dell'articolo.

La bioluminescenza interessa l'umanità da migliaia di anni, come è visibile come il bagliore delle onde notturne che si infrangono nell'oceano o la scintilla delle lucciole nella foresta. Molti autori e filosofi hanno scritto sulla bioluminescenza, da Aristotele a Shakespeare, che in Amleto scrisse del "fuoco inefficace" della lucciola; un riferimento alla produzione di luce senza calore:

"...
Per pungerla e pungerla. Addio subito.
La lucciola mostra che il mattutino è vicino,
E 'gin a impallidire il suo fuoco inefficace.
addio, addio, addio. Ricordati di me."

La bioluminescenza nell'oceano è, però, non "inefficace". In contrasto, serve per la difesa, offesa, e accoppiamento. Nel caso dei dinoflagellati, usano la produzione di luce per spaventare i predatori.

I risultati dell'attuale studio mostrano che quando la deformazione della parete cellulare è piccola, l'intensità della luce è piccola, indipendentemente dalla rapidità con cui viene eseguita la rientranza, ed è anche piccolo quando la rientranza è grande ma applicata lentamente. Solo quando sia l'ampiezza che la frequenza sono grandi l'intensità della luce viene massimizzata. Il gruppo ha sviluppato un modello matematico in grado di spiegare quantitativamente queste osservazioni, e suggeriscono che questo comportamento può fungere da filtro per evitare l'attivazione di lampi di luce spuri.

Intanto, i ricercatori hanno in programma di analizzare più quantitativamente la distribuzione delle forze su tutte le cellule nel flusso del fluido, un passo verso la comprensione della previsione della luce in un contesto marino.

Altri membri del gruppo di ricerca erano la ricercatrice post-dottorato Hélène de Maleprade, gli studenti in visita Nico Schramma del Max-Planck Institute for Dynamics and Self-Organization di Göttingen, Germania e Antoine Dode dell'Ècole Polytechnique in Francia, e visiting professor Christophe Raufaste dell'Institut de Physique de Nice, Francia.