Una lampada alle alghe

FermentalgPierreCinquemila lucciole illuminano come una candela, ma la loro luce non è paragonabile a quella di una lampadina. Sembra una sentenza a favore della luce artificiale, ma la tecnologia considera ancora la natura come il miglior esempio da imitare anche quando si tratta di illuminazione. Colossi come la Philips sperimentano come generare luce ispirandosi a plancton, alghe, batteri marini e alcune specie di insetti come le lucciole. E il sogno dell’illuminazione senza elettricità, un progetto che si richiama a un fenomeno naturale conosciuto fin dall’antichità: la bioluminescenza. Oggi questa tecnologia è applicata su vasta scala in campo biomedico per emettere diagnosi e integrata, in forma sperimentale, sugli smartphone per misurare nel corpo umano i livelli di glucosio o colesterolo. Presto, potrà servire a illuminare case e strade.

Si accende anche il tabacco

Immaginate una lampada che funziona grazie a un reattore biologico, una sorta di organismo vivente che riproduce le reazioni chimiche di creature bioluminescenti come le meduse. Un primo esempio è Starlight Avalar, una pianta cli tabacco ornamentale realizzata dal biologo molecolare Alexander Krischevsky e commercializzata dalla Bioglow, che illumina grazie all’inserimento di un gene selezionato da alcuni batteri marini, i quali, al calare delle tenebre, brillano di luce propria. Philips ha invece ideato un prototipo di lampada alimentata da batteri marini bioluminescenti, che emettono luce verde e si nutrono del gas metano prodotto dai rifiuti urbani. Non solo. La bioluminescenza è utile anche in situazioni di emergenza. Nelle Filippine, dopo il ciclone del 2014 che ha compromesso per mesi la rete elettrica, le lampadine sono state in parte sostituite da recipienti d’acqua dell’oceano arricchita di plancton bioluminescente, in grado di ridare il minimo di luce alle case.

Alberi luminosi e mangia-smog

Con la genetica oggi si possono progettare alberi bioluminescenti per l’arredo urbano che riducono aree l’effetto dell’inquinamento atmosferico. Cambiando alcuni caratteri genetici, si può addirittura scegliere il colore della luce desiderata», spiega Aldo Roda, professore di chimica analitica all’Università di Bologna, lo scienziato che ha donato per la prima volta, in collaborazione con Bruce Branchini del Connecticut College (Usa), la proteina responsabile della luminescenza della lucciola italiana (Luciola italica). Il biochimico francese Pierre Calleja, invece, ha iniziato a sviluppare lampioni alle alghe che si autoilluminano e si nutrono del principale gas responsabile del riscaldamento globale, l’anidride carbonica, duecento volte più di un albero. Una manna dal cielo, anzi dal mare: «Le alghe bioluminescenti rilasciano luce e ossigeno assorbendo la luce del sole e l’anidride carbonica», spiega Roda.

Tutto parte da un enzima

Ma come funziona la bioluminescenza? Qual è il trucco che per secoli ha affascinato navigatori e scienziati di tutto il mondo con spettacolari panorami notturni di baie illuminate a giorno? «Negli organismi, la bioluminescenza è una reazione chimica a cui contribuiscono fattori diversi», prosegue Roda. «Il primo è un enzima, la luciferasi: è un catalizmtore, una proteina che accelera la reazione dell’ossigeno quando viene a contatto con una molecola organica chiamata luciferina. Durante questo processo, una ghiandola che si chiama fotoforo produce fotoni, cioè radiazioni luminose». In natura esistono oltre 700 specie bioluminescenti, soprattutto nelle profondità marine. Questa luce naturale, che scatta per reazione chimica, non sembra presente in mammiferi, rettili, uccelli, anfibi e ragni. «L’emissione naturale di luce di alcuni organismi ha funzioni diverse, che non si riducono all’illuminazione dell’ambiente», dice Roda. «In alcuni casi è un meccanismo di difesa, in altri serve a mimetizzarsi o ad attirare le prede. Nelle lucciole, invece, il lampeggio è un segnale di corteggiamento. Maschi e femmine si riconoscono lampeggiando in modo asincrono. Un caso particolare riguarda il gruppo PIwturis la femmina imita la frequenza delle colleghe più piccole del gruppo Photinus e con questo falso segnale attira i maschi più piccoli per poi mangiarli».

Crimini in chiaro

Se in medicina da tempo si ricorre alla bioluminescenza per effettuare diagnosi, oggi si sfrutta anche la bio-luminescenza e non solo in questo campo. È un processo chimico per produrre luce in assenza di enzimi come la luciferasi: alcune molecole infatti rilasciano radiazioni luminose quando si ossidano e altre quando si decompongono per effetto del calore (termochemiluminescenza) o in presenza di processi elettrochimici (elettrochemiluminescenza). «La più celebre di queste molecole è il luminolo, che reagisce con l’acqua ossigenata rilevando le tracce di sangue anche se qualcuno ha provato a rimuoverle. È uno degli strumenti chiave per le indagini di polizia scientifica sulle scene del delitto», spiega Roda. «Da questa famiglia di molecole si sviluppano applicazioni in biomedicina, biotecnologia, biologia molecolare, farmacologia, chimica ambientale e agroalimentare».

All’Università di Bologna, per esempio, Roda ha sperimentato un biosensore che si installa sulla fotocamera dello smartphone e, con una app dedicata, può misurare i livelli di alcune sostanze in sangue, sudore, saliva. «Grazie alla chemiluminescenza si può mettere a punto una vasta serie di metodi per studiare l’architettura delle cellule, valutare l’effetto di farmaci e ormoni e rilevare l’abuso di droghe», conclude l’esperto. Ma c’è dell’altro. In tema di illuminazione, la natura non comprende solo gli organismi viventi. Alcuni pigmenti e composti metallici, infatti, assorbono l’energia delle radiazioni luminose per generare luce in condizioni di oscurità. In questo caso si parla di fosforescenza. L’effetto è lo stesso, ma la reazione che determina l’emissione di luce è fisica, non chimica. La fosforescenza, utilizzata sulle piattaforme in mare aperto e nelle infrastrutture sotterranee, ha iniziato a diffondersi dopo l’attentato nel parcheggio sotterraneo del World Trade Center del 1993. Da quel momento è diventata obbligatoria a New York ed è stata installata in molti palazzi e uffici. La nuova generazione di materiali fosforescenti è costituita da miscele di terre rare come il tulio e il cerio, che garantiscono luminosità per 7-10 ore consecutive. Oggi questi cocktail sono alla base di inchiostri e vernici luminose.

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