La palette del camaleonte: il suo segreto fotonico

Nel 2015, nell’università di Ginevra, grazie ad una collaborazione tra biologi ed fisici coordinati dal prof. Milinkovitch, è stato studiato il meccanismo alla base della capacità di cambiare colore della pelle nei camaelonti in pochi minuti, possibile per la presenza nella loro pelle di minuscoli cristalli dalle caratteristiche uniche.

Gli animali sono fonte di ispirazione inesauribile per la scienza: alcune delle loro capacità, infatti, sono studiate e riproposte in contesti scientifici o quotidiani. È il caso del camaleonte, rettile famoso per la sua peculiare capacità di cambiare il colore della propria pelle in base al contesto.

In particolare, il camaleonte del Madagascar o camaleonte pantera (nome scientifico Furcifer pardali) è famoso per le sue spettacolari esibizioni cromatiche, trasformazioni che avvengono addirittura in soli uno o due minuti, e che si manifestano durante le interazioni sociali, come a esempio nel corteggiamento o nello scontro fra esemplari di sesso maschile. 

Solitamente la pelle di questa specie di camaleonti, così come quella di alcuni altri rettili, contiene sia pigmenti marroni, rossi e gialli, in aggiunta ai cosiddetti colori strutturali, che non sono dovuti alla presenza di pigmenti, bensì si generano attraverso un fenomeno di interferenza ottica.

Come  Milinkovitch ha spiegato nel suo lavoro, «i cambiamenti avvengono attraverso il controllo attivo di una maglia di nanocristalli presenti in uno strato superficiale di cellule dermiche, le iridofore», particolari cellule iridescenti che contengono pigmenti e una rete di nanocristalli di guanina. La capacità unica di questi rettili è dovuta alla presenza e alla particolare struttura in cui i nanocristalli si dispongono all’interno della cellula. Infatti, si trovano in strati alternati con il citoplasma creando una sorta di millefoglie.

Le cellule iridofore sono a loro volta disposte in più strati sovrapposti, e ognuno di loro riflette la luce in modo diverso. Oltre a questi livelli di organizzazione strutturale, un ulteriore grado di controllo nelle variazioni di colore sono dovute allo stato di rilassamento/eccitazione della pelle del rettile.

Lo strato più superficiale dell’epitelio si può trovare in conformazioni diverse: quando il camaleonte è calmo le cellule iridofore sono organizzate in una rete densa e fitta che riflette preferenzialmente le lunghezze d’onda nel blu. Al contrario, l’eccitamento provoca un rilassamento interno alle cellule iridofore, in particolare, è il reticolo di nanocristalli ad allentarsi di circa il 30%, permettendo di riflettere altri colori come il giallo e il rosso.

«L’insieme costituisce un esempio unico di un sistema ottico auto-organizzato controllato dall’animale che lo indossa».

Nello strato profondo e spesso, invece, i cristalli hanno dimensioni maggiori ma sono meno organizzati riflettono  la luce nello spetto dell’infrarosso vicino e che potrebbe anche essere coinvolto nella protezione termica passiva dell’animale.

Per spiegarlo con le parole degli esperti  «una tale sovrapposizione di due tipi differenti di iridofore costituisce una novità in termini di evoluzione, è lei che permette ai camaleonti di passare da un camuffamento efficace ad una parata spettacolare in tempo record».

Ciò spiega come sia possibile per questo rettile passare da una pelle verde ad una gialla, trasformare i motivi blu in bianchi.

Lo studio è riuscito così a sfatare la credenza popolare per cui i camaleonti sono conosciuti: l’idea secondo la quale essi possono mimetizzarsi su qualsiasi sfondo è infatti falsa. Il prof. Milinkovitch ha aggiunto: “in genere sono mimetizzati benissimo quando sono rilassati, perché sono verdi su uno sfondo di foglie e sono più visibili possibile quando si mostrano.”

Inoltre, questo meccanismo distingue i camaleonti da tutti gli altri animali in grado di mimetizzarsi grazie ai pigmenti contenuti negli organelli delle cellule dell’epitelio che, semplicemente, si disperdono o si aggregano. Come abbiamo visto, invece, nei camaleonti avvengono dei veri e propri cambiamenti strutturali a livello cellulare che influenzano la riflessione della luce da parte della pelle e che seguono i principi della fotonica.

Secondo gli studiosi il meccanismo adottato dai camaleonti per il quale avviene il cambiamento del colore è analogo a quello delle cosiddette strutture a cristalli fotonici attivi (presenti anche negli opali e in alcune specie di farfalle), cioè dei cristalli presenti in natura che riescono a modificarsi, variando la velocità di propagazione della luce che li attraversa.

I cristalli fotonici sono strutture dielettriche periodiche in cui l’interazione della luce con il materiale avviene su una scala di poche lunghezze d’onda, ciò genera una riduzione della dimensione dei componenti fino a 106 volte rispetto ai tradizionali componenti ottici. Sono caratterizzate da un “band gap fotonico” (PBG, Photonic Band Gap) tale che le frequenze comprese entro un determinato intervallo non possono propagarsi all’interno del mezzo. Le loro proprietà dipendono principalmente dalla “regolarità” della struttura e dall’elevato indice di rifrazione.

Queste scoperte potrebbero aiutare gli scienziati a progettare nuovi materiali ma, naturalmente, la strada è ancora lunga e le possibili applicazioni sono tantissime: mimetismo, sensoristica, anticontraffazione e addirittura “vernici fotoniche termocromatiche” per migliorare l’efficienza energetica degli edifici che diventano così in grado di cambiare le loro proprietà ottiche in funzione della radiazione solare che ricevono.



References

https://www.nature.com/articles/ncomms7368

https://www.lescienze.it/news/2015/03/10/foto/mimetismo_camaleonti-2516804/1/#2

https://cordis.europa.eu/article/id/116503-trending-science-researchers-reveal-how-the-chameleon-changes-colour/it

https://www.ansa.it/canale_scienza_tecnica/notizie/fisica_matematica/2018/03/30/come-i-camaleonti-i-nuovi-materiali-cambiano-colore-_8f04d633-0c02-405e-ae27-1092ec75a28c.html

https://sciencecue.it/camaleonte-segreto-fotonico-colori/29947/

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