chlamydomonas

Ogni uomo produce milioni di cellule germinali nel corso della vita, e gli spermatozoi rimangono tra i più abili — e strani — viaggiatori del mondo microscopico. Non è solo una questione di numeri: quello che colpisce i ricercatori è come queste cellule riescono a nuotare in liquidi che, per noi, sembrerebbero quasi colla. Sembrerebbe una contraddizione con la fisica che abbiamo imparato a scuola, eppure il trucco non è magia: è ingegneria biologica a scala nanometrica. Perché la fisica "da grandi" inganna: il paradosso della viscosità A occhio nudo immaginiamo che più un fluido è denso, più sia difficile muoversi dentro di esso. In macroscopico questo è vero: provate a correre nel fango. Ma nel regno del micrometro entrano in gioco concetti diversi, come il numero di Reynolds, e la musica cambia completamente. Qui, l'inerzia è quasi inesistente: non puoi fare uno scatto e aspettarti che la tua velocità persista. Ogni spinta viene immediatamente annebbata dall'attrito viscoso. Per questo motivo le leggi che descrivono collisioni tra biglie o palline — la cara e vecchia terza legge di Newton — non sono un manuale d'uso sufficiente per capire il nuoto microscopico. Non è che la legge sia sbagliata: è solo che le condizioni cambiano talmente tanto che il comportamento emergente è altro. È qui che le cellule come gli spermatozoi e le alghe del genere Chlamydomonas mostrano il loro ingegno evolutivo. Non si limitano a battere un'appendice avanti e indietro in modo simmetrico: il loro movimento è finemente strutturato per creare asimmetrie temporali e spaziali che producono una spinta netta anche laddove, teoricamente, non dovrebbe essercene. Questo ricade direttamente nel campo del cosiddetto "teorema della conchiglia" di Purcell: movimenti reciproci non portano da nessuna parte a basso numero di Reynolds. La soluzione biologica è quindi evitare la reciprocità. Flagelli, asimmetrie interne e il misterioso "modulo elastico dispari" Nel 2023 un gruppo di scienziati ha pubblicato su PRX Life un'analisi che mette insieme dati sperimentali e modelli teorici per spiegare come spermatozoi umani e certe alghe riescano a essere così efficienti in fluidi altamente viscosi. Il punto cruciale non è solo la forma dell'onda che percorre il flagello — quel lungo "filamento" che funge da motore — ma la sua struttura interna. I ricercatori hanno introdotto il concetto di “modulo elastico dispari”, una proprietà che tiene conto di asimmetrie interne e di forze non conservative all'interno del materiale del flagello. In parole povere: il flagello non è una corda passiva che si piega, ma un sistema attivo che può sfruttare deformazioni interne per generare lavoro senza disperderlo tutto sotto forma di calore nel fluido. Questo permette al flagello di deformarsi in modo non reciproco e di convertire segnali molecolari e battiti interni in una spinta effettiva. La conseguenza pratica è che la cellula può avanzare con sorprendente efficienza, anche quando la meccanica classica suggerirebbe che ogni movimento sia subito annullato dalla viscosità. Il concetto è elegante e, lo ammetto, un po’ controintuitivo: non sono solo le onde esterne a contare, ma ciò che succede dentro il materiale che fa muovere l’insieme. La ricerca non è solo idea astratta: comprende modelli che confrontano il comportamento degli spermatozoi con quello di alghe simili, e mostra come certe simmetrie interne possano essere sfruttate per produrre propulsione. È un ponte tra biologia, meccanica dei materiali e idrodinamica a bassa scala. Cosa cambia per la scienza e per noi Capire questi meccanismi non è puro esercizio intellettuale. Potrebbe influenzare diversi campi: dalla medicina riproduttiva — nel valutare la motilità e la salute degli spermatozoi — alla progettazione di micro-robot che devono muoversi in fluidi complessi all'interno del corpo. Immaginate nanomacchine che navigano nel muco polmonare o microscopici veicoli che trasportano farmaci: le lezioni che apprendiamo osservando la natura possono diventare blueprint per ingegneria molto avanzata. E poi c’è il piacere intellettuale: ci ricorda che il mondo microscopico non è una versione "in miniatura" del nostro, ma un universo a parte con regole che portano a soluzioni sorprendenti. Gli spermatozoi, così spesso banalizzati in una battuta, sono in realtà piccoli ingegneri evoluti, capaci di sfidare — o meglio, di aggirare — i vincoli della fisica classica grazie a trucchi sottili e ingegnosi. Non male per qualcosa che a prima vista sembra solo una coda agitata.

chlamydomonas

Perché gli spermatozoi sfidano la viscosità: il teorema di Purcell e il nuoto microscopico