Quando la vita si cristallizza: gli embrioni di stella marina svelano una nuova fase della materia

Recentemente, un gruppo di scienziati ha documentato un fenomeno straordinario legato alla materia attiva osservando colture dense di embrioni della stella marina Patiria miniata. Lo studio, condotto da un team di ricerca internazionale sotto la guida di Yu-Chen Chao, ha rivelato che, quando questi organismi raggiungono un'elevata concentrazione presso l'interfaccia tra aria e acqua, iniziano a organizzarsi spontaneamente in strutture complesse.

I ricercatori hanno coniato il termine «cristalli chirali viventi» per descrivere queste formazioni uniche. Si tratta di una scoperta che ridefinisce i confini tra ciò che consideriamo puramente biologico e ciò che appartiene alla fisica dei materiali.

Queste strutture si dispongono secondo un reticolo esagonale ordinato, una geometria che ricorda in modo sorprendente la disposizione degli atomi nei minerali cristallini. Tuttavia, in questo caso specifico, ogni singolo elemento costitutivo del reticolo è un organismo vivente e autonomo.

L'importanza di questa osservazione risiede proprio nella sottigliezza del confine tra biologia e fisica: la vita sembra seguire leggi organizzative che solitamente attribuiamo alla materia inanimata, ma con una dinamicità senza precedenti.

Il processo di formazione di un «cristallo vivente» ha origine dal movimento intrinseco degli embrioni stessi. Ogni individuo ruota costantemente all'interno del liquido, generando piccoli flussi idrodinamici a livello microscopico che influenzano l'ambiente circostante.

Quando un numero elevato di questi organismi si trova nello stesso spazio, i flussi generati dai loro movimenti iniziano a interagire reciprocamente. Si crea così una sorta di danza coordinata guidata dalle leggi della fluidodinamica.

Questo fenomeno innesca un effetto di attrazione collettiva che aggrega gradualmente gli embrioni in una griglia organizzata. Il risultato è la formazione di una nuova fase della materia, definita come fase di non equilibrio, che sfida le concezioni classiche della termodinamica.

Nonostante l'apparente rigidità della struttura cristallina, il sistema rimane estremamente vitale e dinamico. I cristalli possono infatti passare da uno stato vibratorio a uno oscillatorio, mantenendo una reattività costante agli stimoli esterni.

Tale comportamento collettivo è strettamente legato alla rottura della simmetria chirale. In questo contesto, la direzione di rotazione dei singoli elementi determina in modo univoco la configurazione strutturale dell'intero sistema macroscopico.

Dal punto di vista della ricerca scientifica, questi sistemi appartengono al dominio della materia attiva. In tale ambito, le particelle non subiscono passivamente le forze esterne, ma consumano energia interna per produrre movimento proprio.

A differenza della termodinamica tradizionale, dove l'ordine emerge solitamente da uno stato di quiete o di minima energia, in questi embrioni l'ordine scaturisce direttamente da un'attività incessante e coordinata.

L'osservazione dei cristalli chirali viventi offre una conferma sperimentale cruciale dell'esistenza di fasi di non equilibrio nei sistemi biologici complessi. È una dimostrazione pratica di come la vita possieda la capacità intrinseca di modellare l'architettura della materia.

Le potenziali applicazioni di queste scoperte spaziano in diversi campi dell'innovazione tecnologica. Una delle aree più promettenti riguarda lo sviluppo di sistemi robotici auto-assemblanti, composti da una moltitudine di piccoli componenti capaci di formare strutture funzionali in autonomia.

Un altro settore interessato è quello della gestione termica nell'elettronica avanzata. Si potrebbe infatti imparare a controllare i flussi di calore imitando il modo in cui gli embrioni di Patiria miniata manipolano il movimento dei fluidi attorno a loro.

Inoltre, questa ricerca apre la strada alla creazione di nuovi materiali intelligenti basati sulla materia attiva. Questi materiali sarebbero in grado di modificare la propria struttura e le proprie proprietà fisiche in risposta diretta ai cambiamenti delle condizioni ambientali.

Per rendere possibili queste scoperte, gli scienziati hanno dovuto sviluppare tecniche di coltivazione avanzate per la specie Patiria miniata. La stabilità della piattaforma biologica è fondamentale per garantire la ripetibilità degli esperimenti sulla auto-organizzazione.

Secondo i protocolli stabiliti, le larve di queste stelle marine raggiungono lo stadio necessario per gli esperimenti in circa 15 giorni. La piena maturità sessuale degli esemplari, se allevati in sistemi a flusso continuo, viene invece raggiunta in un arco di tempo di circa due anni.

Questo evento scientifico aggiunge un tassello fondamentale alla nostra comprensione del pianeta, ricordandoci che l'ordine può emergere spontaneamente dalla vita stessa. Non serve un controllo esterno per creare armonia quando l'interazione tra i singoli elementi è così perfetta.

La scoperta suggerisce che, in determinate condizioni, la natura non ha bisogno di istruzioni complesse per costruire strutture ordinate. L'interazione tra una moltitudine di piccoli movimenti individuali è sufficiente a innescare processi creativi profondi.

In ultima analisi, l'esperimento dimostra che basta riunire un numero sufficiente di particelle viventi perché l'universo, seguendo le sue leggi nascoste, inizi a tessere la trama di un cristallo animato.