Di Pesach Benson • 5 agosto 2025
Gerusalemme, 5 agosto 2025 (TPS-IL) — In uno studio rivoluzionario che unisce fisica e biologia, i ricercatori hanno scoperto l’intricato comportamento collettivo di specie batteriche provenienti da un ambiente naturale unico nel nord del Messico. La scoperta non solo fa luce sull’auto-organizzazione microbica, ma potrebbe anche avere implicazioni più ampie per la comprensione del movimento collettivo in natura, dai stormi di uccelli ai sistemi robotici.
Il team di ricerca, guidato dal Professor Joel Stevens e dalla Dottoressa Rinat Arbel-Goren dell’Istituto Weizmann di Scienza, ha raccolto campioni microbici dal Bacino di Cuatro Ciénegas a Coahuila, Messico, una regione desertica che ospita rari ecosistemi microbici ritenuti simili all’ambiente terrestre circa 700 milioni di anni fa. “Quest’area mi affascina da anni”, ha detto il Prof. Stevens, un fisico specializzato in sistemi biologici. “Le sue condizioni estreme offrono una finestra sull’antico comportamento microbico”.
Tornati in laboratorio, il team ha lavorato con il microbiologo messicano Dott. Oscar Gayardo-Navarro per coltivare e studiare i batteri. Durante la sua ricerca post-dottorato, Gayardo-Navarro fece una scoperta sconcertante: non importa quanto accuratamente mescolasse le colture batteriche, queste si separavano spontaneamente in intricati schemi al microscopio.
“Non era casuale”, ha notato. “Ogni specie sembrava ‘disegnare’ uno schema unico: alcune in esagoni, altre in spirali o strutture fluide”.
Questi sorprendenti schemi, hanno scoperto i ricercatori, sono il risultato di un processo fisico noto come “bioconvezione”. La bioconvezione è un fenomeno di fluidodinamica che si verifica quando un gran numero di microrganismi auto-propulsi, come batteri o alghe, si muove in un fluido, tipicamente in risposta a segnali ambientali come l’ossigeno o la luce.
“I batteri nuotano verso l’alto in superficie alla ricerca di ossigeno”, ha spiegato Stevens. “Ma poiché sono più densi dell’acqua, la gravità li riporta giù, creando una sorta di corrente di convezione. È un ciclo dinamico: una costante spinta e attrazione tra la gravità e il bisogno di ossigeno dei batteri”.
Sebbene la bioconvezione non sia un concetto nuovo, lo studio, recentemente pubblicato sulla rivista scientifica peer-reviewed *Nature Communications*, rivela per la prima volta come specie batteriche distinte generino schemi di forma unica. “Fino ad ora, la maggior parte degli studi esaminava ceppi coltivati in laboratorio in isolamento”, ha detto Stevens. “Nessuno ha veramente studiato come specie diverse di una singola comunità naturale si comportano quando vengono messe insieme”.
Il team ha portato la sua ricerca un passo avanti mescolando diverse specie batteriche per osservare come avrebbero interagito. Con loro sorpresa, le specie hanno mantenuto una separazione spaziale nell’ambiente condiviso, anche quando mescolate accuratamente in precedenza. “Abbiamo etichettato ogni specie con un diverso marcatore fluorescente, aspettandoci il caos”, ha ricordato la Dott.ssa Arbel-Goren. “Invece, abbiamo visto formarsi splendidi schemi caleidoscopici: ogni specie è rimasta nel proprio spazio, come ballerini coreografati senza mai parlarsi”.
Questa separazione, ha concluso il team, non è il risultato di attrazione o repulsione biologica, né di differenze nella forma delle cellule. Piuttosto, deriva da sottili differenze nel comportamento di nuoto.
“Ogni specie ha il suo ritmo: la sua velocità media e la sua frequenza di virata”, ha detto Stevens. “E maggiore è la differenza in questi tratti di movimento, più chiara diventava la separazione spaziale”.
Ciò che è forse più notevole è la scala del fenomeno. “Stiamo parlando di movimento microscopico: spostamenti di circa due micron”, ha sottolineato Stevens. “Eppure queste minuscole differenze si manifestano in schemi visibili ad occhio nudo, su distanze mille volte maggiori”.
La scoperta ha promettenti applicazioni pratiche in campi che vanno dall’ingegneria microbica alla robotica. Nella biologia sintetica e nella microbiologia industriale, la comprensione di come le comunità batteriche si auto-organizzano potrebbe portare a bioreattori più efficienti e a consorzi microbici personalizzati per la fermentazione, il trattamento dei rifiuti o la produzione di biocarburanti. A livello clinico, potrebbe informare strategie per interrompere biofilm dannosi o guidare lo sviluppo di sistemi di rilascio di farmaci mirati che imitano il movimento batterico attraverso i fluidi corporei.
Oltre alla biologia, i risultati offrono un modello per la robotica di sciame, dove gli ingegneri possono progettare agenti autonomi, come droni o veicoli subacquei, per auto-organizzarsi e adattarsi ad ambienti complessi senza controllo centralizzato, proprio come i batteri nello studio.
“Questi risultati ci mostrano che la natura ha modi di organizzarsi che stiamo solo iniziando a capire”, ha detto Stevens. “E a volte, ci vuole una palude desertica e un microscopio per mostrarci quanto possa essere bella la fisica”.
