I droni di Madre Natura

L’articolo di oggi parla di intrepidi avventurieri che sono stati intervistati da un gruppo di scienziati abbastanza pazzi da andarli a cercare fino in capo al mondo. Gli avventurieri che hanno rilasciato l’intervista non sono però umani… sono colibrì!

Con le loro 337 specie diverse, i colibrì conquistano vari record come per esempio quello degli uccelli più piccoli del mondo.  Nonostante siano bersaglio di facili ironie per le loro dimensioni ridotte, i colibrì non si lasciano certo scoraggiare, anzi sono capaci di imprese epiche come migrazioni di 800 e più chilometri utilizzando poco più di 1 grammo di grasso come carburante (che è comunque il 50% del loro peso).

 

I colibrì sono famosi per la loro abilità unica tra gli uccelli di restare sospesi in aria, come fanno per esempio le api di fronte ai fiori.

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Un colibrì che si scuote dall’acqua piovana per poter continuare a volare. Ortega-Jimenez et al. 2016

Possono pesare tra i 3 ed i 20 grammi (per avere un’idea: una moneta da 1€ pesa 7.5 grammi!), ma non hanno problemi a volare quando c’è un vento che soffia a 35 km/h (mare Forza 4) o quando è in corso un acquazzone. Per evitare di farsi inzuppare dall’acqua che li appesantirebbe, i colibrì si scuotono continuamente, asciugandosi pur restando sotto la pioggia. 

Ma ancora più sbalorditiva è la loro agilità, detta più tecnicamente manovrabilità: a velocità di oltre 50 km/h i colibrì riescono a cambiare direzione, a virare, a salire o scendere con una facilità da fare invidia a qualunque pilota di astronavi di Star Wars.

I ricercatori protagonisti dell’articolo di oggi hanno studiato proprio questa capacità dei colibrì. Per farlo sono andati negli habitat naturali degli uccelli e li hanno filmati in 3D. Per studiare la manovrabilità, le possibili manovre aeree sono state divise in tre grandi classi:

  • Traslazioni = accelerazioni, decelerazioni
  • Rotazioni del corpo = piegare il corpo in avanti o indietro, a destra o a sinistra, come per l’appunto fa un drone quando deve andare avanti, indietro, a destra o a sinistra (per gli ingegneri: Roll, Pitch, Yaw)
  • Inversioni complesse = brusche inversioni di rotta (una specie di giravolta in aria) o lunghi archi per curvare verso destra o verso sinistra.

Si è così scoperto che:

  • specie diverse sono specializzate in acrobazie diverse , quindi guardando le acrobazie si può capire di che specie sia il colibrì che stiamo guardando.
  • Specie più grandi fanno traslazioni e rotazioni più veloci.Questo non per via del peso maggiore, come si potrebbe pensare intuitivamente; infatti all’interno della stessa specie gli individui più grassottelli sono svantaggiati.
  • Il vero segreto sta nei muscoli più sviluppati ed ali più grandi propri delle specie mediamente più grandi. Tutto questo apparato permette ai colibrì di battere le ali anche 50 volte al secondo, rendendoli gli uccelli più agili del pianeta.

Le potenzialità dei colibrì sono sempre più fonte di ispirazione per gli ingegneri che vorrebbero costruire dei droni perfetti come quelli di madre natura. Per migliorare ancora bisognerà continuare a studiare le capacità aerodinamiche di questi uccelli e magari integrare con una comprensione delle astuzie energetiche che permettono ad esserini così piccoli di immagazzinare energie sufficienti ad affrontare le loro lunghissime migrazioni.


Qui il link alla ricerca originale, che si è anche guadagnata la cover di Science di febbraio 2018: http://science.sciencemag.org/content/359/6376/653/tab-pdf

 

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Il senso del tatto delle cellule

Abbiamo già visto qui che le cellule possono leggere le proprietà fisiche del loro habitat.
Come? Proviamo a toccare un oggetto. Nell istante in cui le nostre dita lo sfiorano, il nostro cervello elabora informazioni circa la sua temperatura, consistenza (rigido o soffice), fattezza (liscio o rugoso) ed altro ancora. Questo grazie ad una miriade di sensori tattili presenti sulle nostre dita che trasformano l’informazione in un segnale biochimico o elettrico interpretabile dal cervello.
Anche le cellule hanno dei sensori sulla loro pelle (la membrana plasmatica) che convertono gli stimoli in segnali biochimici o elettrici.
Quando si parla di segnali bisogna capire due cose:

  • Come si attiva il segnale? Ogni sensore è attivato da uno stimolo diverso (temperatura, rigidità, …).
  • Come si spegne il segnale? I sensori vengono portati all’interno della cellula tramite un processo chiamato endocitosi. Dato che lo stimolo attivatore è fuori dalla cellula, portando dentro il sensore fermerò il segnale!

L’articolo di oggi è un lavoro di un autore del blog e parla di come le cellule possono interpretare la rigidità!
I sensori incaricati di “leggere la rigidità” sono le integrine, proteine transmembrana, che spuntano un po’ all’interno e un po’ all’esterno della cellula. Le integrine toccano tutto quello che sta intorno alla cellula e quando trovano una cosa che gli piace, ci si aggrappano. Parte il segnale. La cellula prova a spegnerlo facendo rientrare l’integrina tramite endocitosi. Una proteina flessibile, la clatrina, si attacca alla membrana plasmatica piegandola verso l’interno. Vediamo due scenari possibili:

  • Superficie rigida: le integrine arrivano in massa, si aggrappano con tutta la loro forza e riescono a contrastare le clatrine che arrivano sempre più numerose. Si crea una placca di clatrina, un pezzo di membrana che non ce la fa a curvarsi e resta piatto. Altri sensori arrivano sulla placca convinti di venire endocitati, ma invece restano lì, accesi. Tra questi c’è il recettore del fattore di crescita EGF (EGFR) che quando è acceso dice alla cellula di proliferare. Molti tumori insorgono perché il segnale di EGFR non viene spento e le placche di clatrina potrebbero essere uno dei tanti modi che i tumori usano per lasciare acceso EGFR.
  • Superficie soffice: le integrine si aggrappano alla superficie esterna, ma la clatrina tira e la superficie esterna si piega fino a spezzarsi. L’integrina finirà col trovarsi dentro una bolla completamente ripiegata verso l’interno della cellula. La clatrina ha vinto, l’integrina viene endocitata.

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A sinistra, una cellula su una superficie rigida. Le grosse macchie bianche sono placche di clatrina. A destra, una cellula su una superficie soffice. Ogni puntino che scompare coincide con un evento di endocitosi (la clatrina che vince).

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Le stesse cellule del video qua sopra (sinistra: superficie rigida; destra: superficie soffice) osservate al microscopio elettronico. Le placche di clatrina sono state colorate in giallo.

Le placche di clatrina non hanno però un ruolo puramente malvagio. Le cellule dell’osso vivono in un ambiente molto rigido ed infatti hanno le placche di clatrina, ma hanno imparato ad usarle per i loro scopi, senza necessariamente trasformarsi in tumori. Altre cellule invece (nel fegato, per esempio) passano tutto il tempo in ambienti soffici e se la rigidità del loro ambiente aumenta, formano placche di clatrina che inviano segnali di proliferazione. Se le cellule non imparano a controllare tali segnali, si può creare un tumore.
Capire come controllare le placche di clatrina potrebbe darci nuove armi per combattere i tumori e con questo lavoro speriamo di aver stimolato la curiosità dei ricercatori nei confronti di queste strutture 🙂


Qui il link alla ricerca originale: https://rdcu.be/ba6RO

La scienza degli X-Men – Speciale Lucca Comics&Games 2018

La pelle impenetrabile di Colossus

Lucca Comics and Games in qualche modo influenza tutti i lucchesi, anche quelli che come noi non sono grandi appassionati di fumetti e manga. Forse per via di questo richiamo della nostra terra natia, ci sembrava quasi doveroso portare alla luce i numerosi legami tra scienza e fumetti.
Un fisico irlandese (Barry Fitzgerald) si è proposto di analizzare la scienza alla base dei supereroi e nell’articolo di oggi ci parla di Colosso, un membro degli X-Men, che ha il potere di rendere la sua pelle dura ed imperforabile quando lo desidera.
Avere una pelle d’acciaio comporta svariati problemi biologici. Vediamone alcuni!

Termoregolazione. il nostro corpo fa di tutto per mantenersi ad una temperatura costante intorno ai 37°C. Per questo quando è caldo sudiamo per raffreddarci.
Quando Colosso durante un combattimento decide di mettere su la pelle d’acciaio, le sue ghiandole sudoripare saranno probabilmente bloccate. Eppure nelle lotte il nostro eroe si muove un sacco e verosimilmente genera tantissimo calore. Come può allora evitare di auto-bollirsi? L’ipotesi più probabile è che la sua pelle non sia fatta di acciaio, ma di grafene, un materiale a base di carbonio che è più fine della carta ma più resistente del diamante.
Si può dunque ipotizzare che il gene-X (X nel senso di sconosciuto, come in X-Men) di Colossus codifichi per un bio-grafene, dove con bio- si intende una sostanza prodotta dal corpo umano che ha quindi le caratteristiche di altre proteine del nostro corpo come per esempio la capacità di autoassemblarsi in strutture complesse.
È quanto succede alla clatrina, che tra l’altro ha una struttura molto simile al grafene:

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Trasporto. Non basta produrre il bio-grafene, bisogna anche che la proteina arrivi nel posto giusto, ovvero sullo strato più esterno della pelle. Il dott. Fitzgerald propone un trasporto nel sangue e parla quindi di tutte le possibili conseguenze nefaste come aumento della viscosità del sangue, sovraccarico di lavoro per il cuore, ecc ecc. Noi proponiamo un modello più semplice dove il bio-grafene è prodotto in loco dai fibroblasti, le cellule specializzate nella produzione del collagene che compone la nostra pelle (altra proteina che si autoassembla). I fibroblasti di Colosso potrebbero essere portatori del gene-X del bio-grafene e, quando il gene si attiva, i fibroblasti della pelle di Colossus potrebbero passare dal produrre collagene al produrre bio-grafene. I fibroblasti infatti sono già nel posto giusto per poter riparare eventuali danni producendo collagene, perciò la nostra soluzione ci pare più semplice, ma essendo il dott. Fitzgerald un fisico e non un biologo gli perdoniamo questa svista 🙂
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Come magari qualcuno avrà intuito, il dott. Fitzgerald usa i supereroi come pretesto per insegnare la scienza ai ragazzi. Nel suo articolo parla di molti altri aspetti del corpo umano, ma non volevamo togliervi tutta la sorpresa!


Ecco qui il link alla ricerca originale: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30192188