Le notevoli proprietà strutturali della spugna del cesto di fiori di Venere (E. aspergillum) potrebbero sembrare braccia rimosse dalle strutture ingegnerizzate dall'uomo. Però, approfondimenti su come il reticolo di fori e creste dell'organismo influenzi l'idrodinamica dell'acqua di mare nelle sue vicinanze potrebbe portare a progetti avanzati per gli edifici, ponti, veicoli marini e aerei, e tutto ciò che deve rispondere in sicurezza alle forze imposte dal flusso di aria o acqua.

Mentre la ricerca passata ha studiato la struttura della spugna, ci sono stati pochi studi sui campi idrodinamici che circondano e penetrano l'organismo, e se, oltre a migliorarne le proprietà meccaniche, i motivi scheletrici di E. Aspergillum sono alla base dell'ottimizzazione della fisica del flusso all'interno e all'esterno della sua cavità corporea.

Una collaborazione in tre continenti alle frontiere della fisica, biologia, e ingegneria guidata da Giacomo Falcucci (dell'Università Tor Vergata di Roma e dell'Università di Harvard), in collaborazione con Sauro Succi (Istituto Italiano di Tecnologia) e Maurizio Porfiri (Tandon School of Engineering, New York University) ha applicato muscoli super computazionali e software speciali per ottenere una comprensione più profonda di queste interazioni, creando una prima simulazione in assoluto della spugna di acque profonde e del modo in cui risponde e influenza il flusso dell'acqua vicina.

Il lavoro, "Le simulazioni di flusso estremo rivelano adattamenti scheletrici di spugne di acque profonde, "pubblicato sulla rivista Natura , ha rivelato una profonda connessione tra la struttura e la funzione della spugna, facendo luce sia sulla capacità della spugna del cesto di resistere alle forze dinamiche dell'oceano circostante sia sulla sua capacità di creare un vortice ricco di sostanze nutritive all'interno del "cesto" della cavità corporea.

"Questo organismo è stato molto studiato dal punto di vista meccanico a causa della sua straordinaria capacità di deformarsi sostanzialmente nonostante la sua fragilità, struttura glassine, " ha affermato il primo autore Giacomo Falcucci dell'Università di Roma Tor Vergata e dell'Università di Harvard. "Abbiamo potuto indagare aspetti dell'idrodinamica per capire come la geometria della spugna offra una risposta funzionale al fluido, per produrre qualcosa di speciale rispetto all'interazione con l'acqua."

"Esplorando il flusso del fluido all'interno e all'esterno della cavità corporea della spugna, abbiamo scoperto le impronte di un previsto adattamento all'ambiente. Non solo la struttura della spugna contribuisce a ridurre la resistenza, ma facilita anche la creazione di vortici a bassa velocità all'interno della cavità corporea che vengono utilizzati per l'alimentazione e la riproduzione", ha aggiunto Porfiri, coautore dello studio.

La struttura di E. Aspergillum, riprodotto dal coautore Pierluigi Fanelli, dell'Università della Tuscia, Italia, ricorda un delicato vaso di vetro a forma di parete sottile, tubo cilindrico con un grande atrio centrale, spicole silicee, da cui il loro appellativo comunemente usato, "spugne di vetro". Le spicole sono composte da tre raggi perpendicolari, dando loro sei punti. Le microscopiche spicole si "tessono" insieme a formare una maglia finissima, che conferisce al corpo della spugna una rigidità non riscontrabile in altre specie di spugne e le consente di sopravvivere a grandi profondità nella colonna d'acqua.

Per capire come fanno le spugne del cesto di fiori di Venere, il team ha fatto ampio uso del computer di classe exascale Marconi100 presso il centro di calcolo ad alte prestazioni CINECA in Italia, che è in grado di creare simulazioni complete utilizzando miliardi di dinamiche, punti dati temporospaziali in tre dimensioni.

I ricercatori hanno anche sfruttato un software speciale sviluppato dal coautore dello studio Giorgio Amati, di SCAI (Super Computing Applications and Innovation) al CINECA, Italia. Il software ha consentito simulazioni super computazionali basate sui metodi di Lattice Boltzmann, una classe di metodi di fluidodinamica computazionale per sistemi complessi che rappresenta il fluido come un insieme di particelle e tiene traccia del comportamento di ciascuna di esse.

Gli esperimenti in silico, con circa 100 miliardi di particelle virtuali, ha riprodotto le condizioni idrodinamiche dei fondali profondi dove vive E. Aspergillum. I risultati elaborati da Vesselin K. Krastev presso l'Università di Roma Tor Vergata hanno permesso al team di esplorare come l'organizzazione di fori e creste nella spugna migliora la sua capacità di ridurre le forze applicate dallo spostamento dell'acqua di mare (una domanda di ingegneria meccanica formulata da Falcucci e Succi) , e come la sua struttura influenzi la dinamica del flusso all'interno della cavità del corpo della spugna per ottimizzare l'alimentazione selettiva del filtro e l'incontro con i gameti per la riproduzione sessuale (una domanda biologica formulata da Porfiri e da un biologo esperto di adattamenti ecologici nelle creature acquatiche, co-autore Giovanni Polverino del Center for Evolutionary Biology presso la University of Western Australia, Perth).

"Questo lavoro è un'applicazione esemplare della fluidodinamica discreta in generale e del metodo Lattice Boltzmann, in particolare, " ha affermato il co-autore Sauro Succi dell'Istituto Italiano di Tecnologia e dell'Università di Harvard. Sauro Succi è riconosciuto a livello internazionale come uno dei padri del Metodo Lattice Boltzmann. "L'accuratezza del metodo, combinato con l'accesso a uno dei migliori super computer al mondo ci ha permesso di eseguire livelli di calcolo mai provati prima, che gettano luce sul ruolo dei flussi di fluido nell'adattamento degli organismi viventi negli abissi."

"La nostra indagine sul ruolo della geometria della spugna sulla sua risposta al flusso del fluido, ha molte implicazioni per la progettazione di grattacieli o, veramente, qualsiasi struttura meccanica, dai grattacieli alle nuove strutture a bassa resistenza per le navi, o fusoliere di aeroplani, — disse Falcucci. — Ad esempio, ci sarà meno resistenza aerodinamica sui grattacieli costruiti con un simile reticolo di creste e buchi? Ottimizzerà la distribuzione delle forze applicate? Rispondere a queste domande è un obiettivo chiave della squadra".