I calamari sono stati a lungo una fonte di fascino per gli umani, fornendo la roba della leggenda, superstizione e mito. E non c'è da meravigliarsi:le loro strane apparizioni e la loro strana intelligenza, la loro padronanza dell'oceano aperto può ispirare timore reverenziale in coloro che li vedono.

Leggende a parte, i calamari continuano ad incuriosire le persone oggi, persone come il professore dell'Università di Santa Barbara Daniel Morse, più o meno allo stesso modo, anche se più scientifico, motivi. Essendosi evoluto per centinaia di milioni di anni per cacciare, comunicare, sfuggire ai predatori e accoppiarsi nel vasto, spesso senza caratteristiche distese di mare aperto, i calamari hanno sviluppato alcune delle pelli più sofisticate del regno animale.

"Per secoli, le persone sono rimaste stupite dalla capacità dei calamari di cambiare il colore e i modelli della loro pelle, cosa che fanno magnificamente, per mimetizzarsi e comunicare sott'acqua, segnalando all'un l'altro e ad altre specie di tenersi alla larga, o come attrazione per l'accoppiamento e altri tipi di segnalazione, "disse Morse, un Illustre Professore Emerito di Biochimica e Genetica Molecolare.

Come i loro cugini cefalopodi, il polpo e la seppia, i calamari hanno cellule specializzate piene di pigmenti chiamate cromatofori che si espandono per esporli alla luce, con conseguente varie sfumature di colore pigmentario. Di particolare interesse per Morse, però, è la capacità dei calamari di luccicare e tremolare, riflettendo diversi colori e rompendo la luce sulla loro pelle. È un effetto che si pensa mimi la luce screziata dell'oceano superiore, l'unica caratteristica in un paesaggio marino altrimenti spoglio. Comprendendo come i calamari riescono a sbiadire anche negli sfondi più semplici, o a distinguersi, potrebbe essere possibile produrre materiali con lo stesso, proprietà di regolazione della luce per una varietà di applicazioni.

Morse ha lavorato per svelare il segreto della pelle di calamaro nell'ultimo decennio, e con il supporto dell'Ufficio di ricerca dell'esercito e la ricerca pubblicata sulla rivista Lettere di fisica applicata , lui e il co-autore Esther Taxon si avvicinano ancora di più a svelare i complessi meccanismi che sono alla base della pelle dei calamari.

Un meccanismo elegante

"Quello che abbiamo scoperto è che non solo il calamaro è in grado di sintonizzare il colore della luce riflessa, ma anche la sua luminosità, " ha detto Morse. La ricerca ha finora stabilito che alcune proteine ​​chiamate riflettenti erano responsabili dell'iridescenza, ma la capacità del calamaro di sintonizzare la luminosità della luce riflessa era ancora un mistero, Egli ha detto.

Precedenti ricerche di Morse avevano scoperto strutture e meccanismi mediante i quali gli iridociti, cellule che riflettono la luce, nella pelle opalescente dei calamari costieri (Doryteuthis opalescens) possono assumere praticamente tutti i colori dell'arcobaleno. Succede con la membrana cellulare, dove si piega in strutture nanometriche simili a fisarmonica chiamate lamelle, formando minuscolo, scanalature esterne a lunghezza d'onda inferiore.

"Quelle minuscole strutture di scanalature sono come quelle che vediamo sul lato inciso di un compact disc, " disse Morse. Il colore riflesso dipende dalla larghezza del solco, che corrisponde a determinate lunghezze d'onda della luce (colori). Negli iridociti del calamaro, queste lamelle hanno la caratteristica in più di poter mutare forma, allargando e restringendo quei solchi attraverso le azioni di un "motore osmotico" straordinariamente finemente sintonizzato guidato da proteine ​​riflettenti che si condensano o si allargano all'interno delle lamelle.

Mentre i sistemi di materiali contenenti proteine ​​riflettenti erano in grado di approssimare i cambiamenti di colore iridescenti di cui erano capaci i calamari, i tentativi di replicare la capacità di intensificare la luminosità di questi riflessi si sono sempre rivelati insufficienti, secondo i ricercatori, che ragionava che alle reflexine in pelle di calamaro doveva essere accoppiato qualcosa, amplificando il loro effetto.

Quel qualcosa si rivelò essere la membrana stessa che racchiudeva i riflessi:le lamelle, le stesse strutture responsabili dei solchi che scompongono la luce nei suoi colori costituenti.

"L'evoluzione ha ottimizzato in modo così squisito non solo la regolazione del colore, ma la messa a punto della luminosità utilizzando lo stesso materiale, la stessa proteina e lo stesso meccanismo, " disse Morse.

Luce alla velocità del pensiero

Tutto inizia con un segnale, un impulso neuronale dal cervello del calamaro.

"Le riflettenti sono normalmente molto cariche positivamente, " Morse disse delle proteine ​​iridescenti, quale, quando non attivato, sembra un filo di perline. La loro stessa carica significa che si respingono a vicenda.

Ma questo può cambiare quando un segnale neurale fa sì che le reflexine leghino i gruppi fosfato caricati negativamente che neutralizzano la carica positiva. Senza la repulsione che mantiene le proteine ​​nel loro stato disordinato si ripiegano e si attraggono, accumulando in meno, aggregazioni più grandi nelle lamelle.

Queste aggregazioni esercitano una pressione osmotica sulle lamelle, una membrana semipermeabile costruita per resistere solo a una certa pressione creata dai riflessi agglomerati prima di rilasciare l'acqua all'esterno della cellula.

"L'acqua viene schiacciata fuori dalla struttura a fisarmonica, e che comprime la fisarmonica in modo che lo spessore nella spaziatura tra le pieghe si riduca, ed è come avvicinare i solchi di un compact disc, "Spiegò Morse. "Così la luce che viene riflessa può passare progressivamente dal rosso al verde al blu."

Allo stesso tempo, il collasso della membrana concentra le riflettenti, provocando un aumento del loro indice di rifrazione, amplificando la luminosità. Pressione osmotica, il motore che guida queste sintonizzazioni delle proprietà ottiche, accoppia strettamente le lamelle alle riflettenti in un rapporto altamente calibrato che ottimizza l'uscita (colore e luminosità) all'ingresso (segnale neurale). Spazzare via il segnale neurale e la fisica si inverte, disse Morse.

"È molto intelligente, modo indiretto di cambiare colore e luminosità controllando il comportamento fisico di quella che viene chiamata proprietà colligativa:la pressione osmotica, qualcosa che non è immediatamente evidente, ma rivela la complessità del processo evolutivo, i millenni di mutazioni e selezioni naturali che hanno affinato e ottimizzato questi processi insieme."

Film sottili a luminosità regolabile

La presenza di una membrana può essere il collegamento vitale per lo sviluppo di film sottili bioispirati con la capacità di sintonizzazione ottica del calamaro costiero opalescente.

"Questa scoperta del ruolo chiave che la membrana gioca nella regolazione della luminosità della riflettanza ha implicazioni intriganti per la progettazione di futuri materiali ibridi e rivestimenti con proprietà ottiche regolabili che potrebbero proteggere i soldati e il loro equipaggiamento, "ha detto Stephanie McElhinny, un program manager presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti.

Secondo i ricercatori, "Questo affinato evolutivamente, l'accoppiamento efficiente della rifletta del suo amplificatore osmotico è strettamente analogo all'accoppiamento di impedenza delle reti attivatore-trasduttore-amplificatore in un'elettronica ben progettata, magnetico, sistemi meccanici e acustici." In questo caso l'attivatore sarebbe il segnale neuronale, mentre le riflettenti fungono da trasduttori e le membrane controllate osmoticamente fungono da amplificatori.

"Senza quella membrana che circonda le riflettenti, non c'è alcun cambiamento nella luminosità per questi film sottili artificiali, "disse Morse, che sta collaborando con colleghi di ingegneria per studiare il potenziale di un film sottile più simile alla pelle del calamaro. "Se vogliamo catturare il potere del biologico, dobbiamo includere una sorta di involucro a membrana per consentire la regolazione reversibile della luminosità."