L'OSSIGENO PRIMA DELLA GRANDE OSSIDAZIONE

Circa 2,4 miliardi di anni fa l’atmosfera terrestre subì il cosiddetto Grande evento di ossidazione (GEO), un drastico aumento nei livelli di ossigeno atmosferico. Si trattò, secondo le attuali conoscenze, di un punto di svolta nella storia naturale del pianeta, che aprì la strada allo sviluppo di forme di vita complesse.

In questo quadro rimangono tuttavia irrisolte due questioni: quando cominciò la produzione di ossigeno tramite fotosintesi e quando essa cominciò ad alterare la chimica dell’oceano e dell’atmosfera.

Ora una nuova ricerca guidata da un gruppo di geologi dell’Università della California a Riverside corrobora l’ipotesi che la produzione di ossigeno cominciò nell’oceano almeno 100 milioni di anni prima del GEO, e consente di dimostrare almeno in parte come anche basse concentrazioni di ossigeno possano avere profondi effetti sulla chimica dell’oceano.

Per arrivare ai risultati, i ricercatori hanno analizzato alcuni campioni di argilliti nere provenienti dall’Australia occidentale, che rappresentano essenzialmente resti fossilizzati di un antico fondale marino. La fine successione degli strati al suo interno infatti consente di ricostruire la storia evolutiva della chimica oceanica.

In particolare, le argilliti hanno rivelato che episodi di accumulo di solfuro d’idrogeno nelle profondità oceaniche in acque prive di ossigeno avvennero all’incirca 100 milioni di anni prima del GEO, vale a dire fino a 700 milioni di anni prima di quando previsto dai precedenti modelli della chimica dell’oceano primordiale.

Come sottolineano i ricercatori, la presenza di solfuro d’idrogeno nell’oceano è considerata una firma inequivocabile della produzione fotosintetica di ossigeno 2,5 miliardi di anni fa.

"L'emergere di una fotosintesi pre-GEO è oggetto di un intenso dibattito, e la sua soluzione consentirebbe una comprensione più profonda dell'evoluzione di diverse forme di vita”, ha commentato Timothy Lyons, docente di biochimica dell'UCR e coautore dell'articolo apparso sulla rivista “Science”. "I nostri dati mostrano la presenza di una produzione di ossigeno per via fotosintetica ben prima che le concentrazioni atmosferiche di questo gas raggiungessero una minima percentuale di quelle attuali, il che lascia supporre che le reazioni chimiche che consumano ossigeno controbilanciassero la produzione di questo gas”.

I ricercatori così ipotizzano che la presenza di piccole quantità di ossigeno abbia stimolato la prima evoluzione delle cellule eucariotiche milioni di anni prima del GEO.

"Questa produzione di ossigeno iniziale ha posto le basi per lo sviluppo di specie animali avvenuta almeno due miliardi di anni dopo”, ha concluso Lyons.

UN LAMPO DALL'UNIVERSO PRIMORDIALE

Risale a 13,7 miliardi di anni fa la gigantesca esplosione cosmica rivelata il 23 aprile scorso dal satellite spaziale Swift; già il giorno dopo gli astronomi hanno potuto puntare i telescopi in direzione dell’evento, denominato GRB 090423, e nel giro di una settimana raccogliere e registrare i primi segnali con il radiotelescopio del Very Large Array (VLA) situato a terra, fino alla sua scomparsa, due mesi dopo. Si è così potuto verificare la natura dell’evento: si è trattato di un burst di raggi gamma (GRB).

"Questa esplosione si è verificata solo 630 milioni di anni dopo il big bang e permette di gettare uno sguardo senza precedenti a un’epoca in cui l’universo era molto giovane e nel mezzo di drammatici cambiamenti”, ha spiegato Dale Frail del National Radio Astronomy Observatory. “La primordiale oscurità veniva trafitta dalla luce delle prime stelle e le prime galassie cominciavano a formarsi quando questa stella, che apparteneva a una delle prime generazioni, esplose”.

Grazie alle misurazioni effettuate, gli studiosi hanno poi concluso che l’evento è stato più energetico dei principali GRB finora osservati, e che l’esplosione, di forma pressoché sferica, ha dato origine a un tenue quanto uniforme involucro gassoso intorno alla stella. Ma ciò che più ha sorpreso è stata la determinazione della sua distanza, ovvero della sua età.

Gli astronomi ipotizzano che le prime stelle dell’universo fossero molto differenti da quelle di formazione successiva, ovvero più luminose, più calde e più massicce. E l’unico modo di dedurne le caratteristiche è quello di osservare eventi quali GRB 090423 o ancora più distanti.

“È importante che in queste osservazioni siano utilizzati diversi tipi di telescopi: il nostro gruppo di ricerca ha combinato i dati del VLA con quelli di altri strumenti nello spettro X o infrarosso per comporre una sorta di mosaico delle diverse condizioni fisiche dell’esplosione”, ha aggiunto Derek Fox della Pennsylvania State University. "Per questo attendiamo con ansia il completamento, previsto per il 2012, dell’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), e dell’Expanded Very Large Array (EVLA) che consentiranno ulteriori osservazioni di GRB molto distanti e antichi.”

DA STAMINALI A GAMETI

Trasformare cellule staminali umane in cellule cellule uovo e spermatozoi: è quanto è riuscito a un gruppo di ricercatori dello Stanford University Medical Center che illustrano la scoperta in un articolo pubblicato online sul sito di "Nature".

"Dal 10 al 15 per cento delle coppie non sono fertili: quasi la metà dei casi è dovuto all'incapacità di produrre spermatozoi o ovociti. Inibire o aumentare l'espressione dei geni coinvolti in vivo per capirne la ragione è impossibile e contrario all'etica. Definire la 'ricetta' genetica necessaria a sviluppare cellule germinali in laboratorio ci darà gli strumenti per capire che cosa non va in queste persone", osserva Renee Reijo Pera, che ha diretto la ricerca.

Lo sviluppo dei gameti umani - ossia degli spermatozoi e delle cellule uovo - non può infatti essere studiata adeguatamente nel modello animale: "Finora abbiamo condotto studi sui topi per capire come anche nell'uomo si differenziano spermatozoi e cellule uovo a partire dalle cellule staminali, ma i geni riproduttivi coinvolti non sono gli stessi. Questa è la prima prova che si possono creare in laboratorio cellule gameti umani funzionali."

Ricostruendo i punti salienti dello sviluppo di spermatozoi e cellule uovo, i ricercatori sperano cioè di poter identificare con precisione i problemi che possono portare all'infertilità e prospettare possibili soluzioni.

Già negli anni novanta il gruppo di ricerca di Reijo Pera aveva identificato diversi geni coinvolti nella sterilità maschile, fra i quali alcuni appartenenti alla cosiddetta famiglia dei geni DAZ, che codificano proteine che si legano all'RNA e non ai fattori di trascrizione che più spesso modulano gli eventi cellulari.

In questo studio i ricercatori hanno trattato cellule staminali embrionali umane con proteine che stimolano la proliferazione delle cellule staminali, per poi isolare quelle che iniziavano a esprimere geni specifici delle cellule germinali, circa il 5 per cento del totale. Queste cellule, inoltre, i ricercatori hanno anche osservato dei cambiamenti per bloccare lo sviluppo di tratti che avrebbero potuto interferire con la capacità di continuare a funzionare da cellule staminali indirizzandole a una specifica differenziazione. (Tecnicamente, hanno osservato la rimozione di gruppi metile dal DNA.)

Successivamente, silenziando o facendo esprimere in maniera maggiore i geni di tre gruppi di geni DAZ hanno studiato come ciascuno di essi influisse sullo sviluppo di spermatozoi e cellule uovo.

In questo modo si è scoperto che un sottogruppo dei geni DAZ, detti DAZL, si attiva molto precocemente nello sviluppo delle cellule germinali, mentre altri due gruppi, DAZ1 e BOULE, stimolano la divisione di quelle cellule, portandole in una fase successiva a una differenziazione in spermatozoi e cellule uovo.

L'aumento dell'espressione congiunta delle tre proteine codificate dai geni DAZL, DAZ1 e BOULE ha permesso ai ricercatori di generare cellule aploidi, ossia dotate di metà esatta del corredo cromosomico completo delle cellule normali. Corredo cromosomico che si completa quando spermatozoo e cellula uovo si fondono nella fecondazione.

TRASFORMARE LA LUCE IN VIBRAZIONI

Un gruppo di ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) a Pasadena è riuscito a ottenere una micro-sbarretta di silicio che è in grado di convertire con elevata efficienza la luce in vibrazioni e viceversa. Questo risultato apre la strada a un nuovo campo d'indagine della fisica e alla progettazione di microcircuiti ottici di nuova concezione.

Alcuni anni fa Kerry Vahala, sempre del Caltech, era riuscito a mettere in vibrazione un micro-dischetto di silicio con la luce trasmessa da una fibra ottica e più di recente Daniel Gauthier della Duke University a Durham, era riuscito a far vibrare la fibra ottica stessa, ma gli effetti erano di intensità e durata estremamente ridotte.

Ora, Oskar Painter, Kerry Vahala, Matt Eichenfield e collaboratori hanno progettato un'apparecchiatura che - coniugando i principi della fotonica con quelli della fononica - aumenta il livello di interazione fra luce e vibrazioni di diversi ordini di grandezza, aprendo potenzialmente le porte a microchip ottici in cui vibrazioni di bassa frequenza controllano segnali ottici ad alta frequenza o viceversa.

Da più di 10 anni sono stati sviluppati i cosiddetti cristalli fotonici, materiali in grado di trasmettere la luce che, dotati di uno schema regolare di cavità, ne alterano il cammino. L'alterazione può essere tale da interdire la propagazione di alcune lunghezze d'onda che finiscono per interferire e cancellarsi; con una accurata calibrazione della disposizione e delle dimensioni dei buchi è però possibile far si che esse, invece di cancellarsi, restino intrappolate nei cristalli. Anche per le onde sonore è possibile costruire strutture analoghe.

Ora, come riferiscono in un articolo pubblicato su "Nature" online, Eichenfield, Painter e colleghi sono riusciti a ottenere un cristalli ibrido fotonico/fononico a base di silicio delle dimensioni di 1x20 micrometri dotato di un'efficienza di conversione tale da poter essere in prospettiva utilizzato per la creazione di circuiti optomeccanici.

SCOPERTA UN ELETTRICITA' MAGNETICA

Un gruppo di ricercatori del London Centre for Nanotechnology (LCN) a Oxford ha scoperto un equivalente magnetico dell'elettricità: singole cariche magnetiche che possono comportarsi e interagire come quelle elettriche. Nella loro ricerca ("Measurement of the charge and current of magnetic monopoles in spin ice"), pubblicata su "Nature", i fisici hanno sfruttato i monopoli magnetici che possono essere ottenuti all'interno di cristalli "spin ice".

L'esistenza dei monopoli magnetici - l'analogo magnetico delle cariche elettriche - fu predetta un secolo fa, ma la loro osservazione è stata possibile solo pochissimo tempo fa: è infatti nel settembre scorso che due gruppi di ricerca sono riusciti a dimostrare sperimentalmente, in modo indipendente, l'esistenza dei monopoli, e unicamente nei cristalli di spin ice.

Questi ultimi sono cristalli che formano una piramide di atomi carichi, o ioni, disposti in modo tale che, una volta raffreddati a temperature bassissime, il materiale esibisce la presenza di piccoli "pacchetti" discreti di cariche magnetiche.

In questa nuova ricerca i ricercatori diretti da Steve Bramwell hanno mostrato che queste "quasi-particelle" di carica magnetica possono muoversi assieme formando una corrente magnetica simile a quella formata dagli elettroni in movimento, dando vita a quella che hanno chiamato "magnetricità", della quale hanno potuto anche misurare l'intensità e determinare l'unità di carica magnetica.

I monopoli osservati derivano dal disturbo allo stato magnetico di cristalli di spin ice prodotto da un fascio di muoni generati grazie alla SIS Neutron and Muon Source dell'LCN.

COME LE PIANTE SI RICONOSCONO

Le piante sono in grado di riconoscere i propri parenti: lo ha mostrato una ricerca di alcuni botanici dell'Università del Delawar a Newark che ne parlano in una articolo pubblicato sulla rivista "Communicative & Integrative Biology".

In una serie di esperimenti, giovani pianticelle di Arabidopsis thaliana sono state esposte a un mezzo liquido contenente secrezioni radicali di piante "sorelle", di piante non imparentate e loro stesse, misurando poi la lunghezza della più lunga radice laterale e dell'ipocotile, la parte del fusticino compresa tra i cotiledoni e l'apice radicale. In un altro esperimento gli essudati radicali sono stati inibiti con una sostanza, l'ortovanadato di sodio, che li blocca senza peraltro interferire con la crescita delle radici. E' risultato che l'esposizione agli essudati di piante estranee induce la formazione di radici laterali più grandi e profonde.

Per lo studio, diretto da Harsh Bais, sono state utilizzate oltre 3000 piante - tutte di origine selvatica, per evitare i problemi connessi con le varietà tipiche di laboratorio, spesso imparentate far loro - per ciascuna delle quali sono stati registrati quotidianamente i dati di crescita.

Le piante estranee che crescono le une vicine alle altre, osserva Bais, sono spesso più basse perché gran parte della loro energia viene destinata alla crescita delle radici, mentre nel caso di piante sorelle, che non cercano di crescere l'una a scapito dell'altra, le radici sono spesso più superficiali e le loro foglie si toccano e intrecciano, cosa che difficilmente avviene fra le piante non imparentate, che tendono a crescere dritte verso l'alto e senza contatti fra loro.

Ora i ricercatori intendono capire come questa scoperta possa influenzare la crescita di piante sorelle nei campi a monocultura, e come possano crescere senza una serrata competizione. "E' possibile che quando piante imparentate crescono insieme, possano bilanciare l'assunzione di nutrienti e non mostrarsi avide", ipotizza Bais.

AI CONFINI DEL SISTEMA SOLARE

La prima mappa di tutto il cielo sviluppata dalla sonda Interstellar Boundary Explorer (IBEX) della NASA ha rivelato sorprendenti e intense interazioni tra il sistema solare e lo spazio interstellare.

"I risultati di IBEX sono veramente interessanti, poiché le emissioni non somigliano ad alcuna delle attuali teorie o modelli di questa regione mai osservata”, ha commentato David J. McComas, principal investigator di IBEX e ricercatore dello Space Science and Engineering Division del Southwest Research Institute. "Ci si aspettava di vedere piccole e graduali variazioni al confine con lo spazio interstellare per circa 16 miliardi di chilometri. IBEX invece ci sta mostrando una fascia molto stretta due-tre volte più brillante di qualunque altro oggetto osservabile nel cielo."

Com'è noto, dal Sole soffia in ogni direzione un “vento solare” di particelle cariche ad alta velocità che produce una bolla gigante nello spazio interstellare nota come eliosfera, una regione di spazio dominata dall’influenza del Sole in cui sono posti la Terra e gli altri pianeti.

Nel suo moto, il vento solare raccoglie i frutti della ionizzazione delle particelle neutre provenienti dallo spazio interstellare. IBEX misura gli atomi neutri energetici (ENA) prodotti nella regione di confine tra l’eliosfera e il mezzo interstellare locale che viaggiano a velocità comprese tra 0,8 e 4 milioni di chilometri all’ora. Come sottolineato nell'articolo pubblicato su "Science", IBEX ha anche rivelato per la prima volta idrogeno e ossigeno nel mezzo interstellare.

È così stato possibile mappare l’interazione globale dell’eliosfera, anche se, come avvertono i ricercatori, occorrerà più tempo per comprendere pienamente i dati IBEX.

CREATI FALSI RICORDI AGENDO SUI NEURONI

Manipolando direttamente l'attività di singoli neuroni, un gruppo di ricercatori è riuscito a indurre nel moscerino della frutta il ricordo di un'esperienza negativa mai avvenuta. L'esperimento, condotto presso l'Università di Oxford è decritto in un articolo pubblicato sulla rivista "Cell".

"I moscerini hanno la capacità di apprendere, ma i circuiti che sovrintendono alla formazione della memoria erano sconosciuti", ha detto Gero Miesenböck, che ha diretto lo studio. "Noi siamo stati in grado di 'incastrare' il componente essenziale di 12 cellule. Si tratta di una risoluzione notevole."

Queste cellule, osservano i ricercatori, sono sufficienti a gestire un problema cognitivo tutt'altro che semplice: apprendere ad associare un particolare odore a qualcosa di negativo, come una scossa elettrica. In pratica queste cellule creano tracce mnemoniche che il moscerino sfrutta per evitare le fonti di quegli odori.

Per identificare gli esatti neuroni responsabili di questi ricordi fra le migliaia che costituiscono il cervello del moscerino della frutta, i ricercatori hanno utilizzato una particolare tecnica, chiamata optogenetica, grazie alla quale un semplice lampo di luce è sufficiente per innescare la liberazione all'interno dei neuroni di particolari molecole, precedentemente segregate entro vescicole e in grado di stimolare l'attività dei neuroni stessi.

Attraverso la stimolazione di quelle 12 cellule, Miesenböck e colleghi sono dunque riusciti a instillare il ricordo di un evento spiacevole mai avvenuto nella memoria del moscerino.

"Abbiamo cercato di prendere fenomeni psicologici apparentemente eterei per ridurli a meccanismi e vedere, per esempio, come l'intelligenza necessaria ad adattarsi a un ambiente in cambiamento possa essere ricondotta a interazioni fisiche fra cellule e molecole", ha dichiarato Miesenböck . "Il problema è: come si ottiene l'intelligenza da parti non intelligenti?"

Grazie a questo approccio di "scrittura diretta della memoria", sottolinea Miesenböck, è quindi possibile raggiungere un nuovo livello di analisi delle funzioni cerebrali prima inarrivabile: finora le neuroscienze sono dipese in maniera essenziale dalla registrazione dei livelli di attività neuronale e dal tentativi di correlarli a percezioni, azioni, cognizioni: "Prendere il controllo di circuiti cerebrali di rilievo e produrre direttamente questi stati è uno strumento molto più potente".

"Come regola generale, la biologia tende a essere conservativa. E' raro che l'evoluzione 'inventi' uno stesso processo più volte, specie se fondamentale", ha concluso Miesenböck, e per questo anche un organismo così semplice può rivelare di avere "una vita mentale sorprendentemente ricca".

ANCHE LA LUCE PUO' ESSERE SUPERFLUIDA

Dopo l’elio a bassa temperatura, un altro sistema fisico del tutto diverso ha manifestato in opportune conduzioni il fenomeno della superfluidità: la luce che attraversa un mezzo materiale.

È quanto ha stabilito una ricerca frutto della collaborazione tra Iacopo Carusotto, fisico sperimentale del centro BEC di INFM-CNR di Trento e il gruppo di fisici teorici diretto da Cristiano Ciuti all'Università di Paris 7.

A differenza delle radiazione ordinaria, che viene diffusa e rifratta nel passaggio nei mezzi trasparenti, quella prodotta in quest’ultima ricerca è caratterizzata da legami talmente forti tra i fotoni che complessivamente appare “scorrere” senza attrito e senza ostacoli, un po’ come fanno per l’appunto i superfluidi.

L’apparato che ha permesso la scoperta è costituito da un laser altamente stabile, i cui parametri possono essere controllati dagli sperimentatori, che incide su un bersaglio costituito da un materiale semiconduttore noto come arseniuro di gallio, che di solito degrada il fascio di luce incidente. In corrispondenza dei parametri previsti dai calcoli teorici, il laser ha attraversato il semiconduttore senza alcuna interferenza: un comportamento che non era mai stato osservato in precedenza.

«I comportamenti superfluidi hanno una straordinaria importanza teorica e pratica: basti pensare ai magneti a superconduttore che sono alla base dell’acceleratore LHC di Ginevra", ha spiegato Carusotto, coautore dell'articolo apparso su "Nature Physics". E così per la luce superfluida si possono già prevedere applicazioni brillanti: una luce capace di attraversare indisturbata un materiale può portare a enormi benefici nello sviluppo delle fibre ottiche. E potrebbe permettere non solo il trasporto dell’informazione, come attualmente accade, ma anche la sua elaborazione: enormi quantità di dati potrebbero essere trattate in via ottica da chip ottico-elettronici, a velocità impossibili per l’elettronica attuale. Nuovi chip velocissimi, ma capaci anche di risparmiare molta energia rispetto agli attuali. Un risparmio piccolo in proporzione, ma enorme se si pensa che ogni giorno sono miliardi i chip utilizzati al mondo, tra computer, telefoni, televisori e automobili”.

IL COLEOTTERO-SPIA

Un gruppo di ricercatori dell'Università della California a Berkeley, nel quadro di una ricerca finanziata dalla DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), è riuscito a impiantare dei sistemi di stimolazione neuromuscolare in alcuni coleotteri, così da controllarne da remoto il volo.

Come riferiscono in un articolo pubblicato su “Frontiers in Integrative Neuroscience”, Hirotaka Sato, Michel Maharbiz e collaboratori, sugli insetti sono stati impiantati micro-stimolatori, micro-batteria e micro-ricevente quando erano ancora allo stato pupale. Successivamente, una volta raggiunta la forma adulta, sono stati in grado di stimolarne il cervello in modo da indurli a prendere il volo e dirigersi dove desideravano.

Negli esperimenti sono stati utilizzati coleotteri di varia taglia, da Cotinis texana, lunga poco più di due centimetri, fino alla grande Megasoma elephas, che raggiunge i 20 centimetri, passando per Mecynorhina torquata (7 centimetri).

In precedenza erano già stati sviluppati tentativi di "telecomandare" in modo analogo degli insetti, e in particolare scarafaggi, ma questa è la prima volta che si riesce a controllare da remoto insetti volanti.

In realtà, l'ipotetica applicazione militare di questi scarabei “cyborg” appare alquanto problematica – ha osservato Noel Sharkey noto esperto di intelligenza artificiale dell'Università di Sheffield - dato che, esclusa l'alternativa illegale di utilizzarli come vettore di agenti chimici o biologici, ciò richiederebbe l'ulteriore aggiunta di un sistema di localizzazione GPS dell'insetto ed eventualmente di una microtelecamera, eccedendo però così le capacità di trasporto anche delle specie più grandi.

I ricercatori di Berkeley osservano però che questi insetti possono in realtà servire da utili modelli per la messa a punto di micro-robot aerei, o NAV (Nano Air Vehicle), a cui la DARPA è interessata per applicazioni in scenari di battaglia urbana.