Siti archeologici, alghe e bio ottica ...di effetto!

Massimo Del Guasta - INO CNR

Durante alcune gite al meraviglioso sito archeologico della necropoli della Banditaccia (Cerveteri, Lazio) , oltre a girovagare tra tombe etrusche (come forse solo in questo luogo magico si può fare) mi sono imbattuto in un fenomeno ottico davvero sorprendente.

Non conosco i termini archeologici: le tombe hanno la forma delle antiche capanne: a Cerveteri sono le capanne dei morti in una città sotterranea tutta per loro, e quindi ogni tomba è una buia cupola seminterrata a cui si accede da una bassa apertura, più o meno come una porticina di casa.

Molte tombe sono allagate di acqua piovana e presentano sul fondo diversi centimetri di acqua stagnante.

Affacciandosi nel 2009 a qualcuna di queste tombe allagate la prima impressione fu che fossero artificialmente illuminate di calda luce dorata. Molti passanti frettolosi ebbero la stessa impressione: ho sentito esclamarlo a voce alta. Poi tutti passarono oltre.....

La superficie dell'acqua sembrava fosforescente, un colore dorato al quale non siamo abituati. In un luogo così suggestivo, poi....


L'interno di una tomba allagata, fotografato dall'ingresso, senza flash: il film algale superficiale reinviava la proveniente dall'esterno verso il visitatore affacciato all'ingresso, come un catarifrangente naturale

Una mappa delle parti dell'area archeologica Banditaccia dove ho trovato (tra 2010 e 2012) le tombe "dorate" da un film di alghe

INDAGHIAMO: Un campione di acqua in bottiglia. In frigo e poi in laboratorio...

In queste immagini al microscopio elettronico SEM (Polo scientifico di Sesto Fiorentino) appaiono molte diatomee (poi identificate come Pseudostaurosira brevistriata) ed alcune alghe flagellate di 15-25 um circa

Immagini SEM delle alghe. Nonostante siano meno numerose e per me difficilmente identificabili (vedi questo testo inglese) , le alghe dorate flagellate Chromulina sp. galleggianti in superficie sono responsabili dell'effetto straordinario osservato. Le altre alghe presenti nelle foto sono diatomee, probabilmente presenti nella massa d'acqua più che in superficie, prive di effetti ottici di rilievo. Si tratta di Pseudostaurosira brevistriata (Williams, D.M. & Round, F.E. 1988. Revision of the genus Fragilaria. Diatom Research 2: 267-288) .

Un effetto ottico noto da tempo

Indagando in letteratura ho scoperto che questo effetto bio-ottico, per quanto affascinante e sorprendente soprattutto per il luogo "magico" in cui l'ho osservato è noto da tempo nel mondo dei fitobiologi e degli appassionati di ottica. Fino dall'inizio del 1900 il metodico scienziato Gustav Stenn aveva scoperto la rilocazione dei cloroplasti in numerose specie di piante ed alghe di acqua dolce. Il movimento dei cloroplasti può avvenire sia per sfuggire una eccessiva illuminazione (nel qual caso si ricollocano all'interno della cellula in modo da intercettare la minima intensità luminosa, rendendo le cellule "trasparenti", oppure per raccogliere il massimo di luce negli ambienti oscuri. In questo caso i cloroplasti si dispongono in modo da raccogliere il massimo della luce disponibile. E' il caso di Chromulina, che presentano spesso un solo cloroplasto a forma di coppetta. La "coppetta si dispone verso la sorgente di luce in ambienti oscuri come le grotte


Schema di dislocazione dei cloroplasti ("Eschastrophe") come "retroriflettori" in ambiente poco illuminato	Chromulina nebulosa: una specie-tipo di Chromulina con un unico cloroplasto a coppetta.
Altri scopritori casuali del fenomeno (non molti, a dire il vero) da me incontrati sul web: http://www.upi-institut.de/_handschuhsheim/goldauf.htm (In tedesco) https://atoptics.wordpress.com/2011/05/14/chromulina-rosanoffii-as-a-cause-of-optical-phenomena-on-water-surface/ https://atoptics.wordpress.com/tag/algae-optics/

... INDAGHIAMO DI NUOVO L'EFFETTO SUL SUL CAMPO

Mi sono chiesto quanto effiiciente fosse l'effetto di retrodiffusione della luce da parte del film algale. L'effetto ottico è talmente sorprendente da valere un poco di sperimentazione fai-da-te. Armato di normale macchinetta fotografica digitale nel 2011 mi sono recato di nuovo presso una delle tombe allagate che presentavano il film algale con un esperimento in mente:

TESI: Se le alghe, indisturbate da tempo, avevano i loro cloroplasti orientati verso l'entrata della tomba, dove cioè entrava la luce, probabilmente illuminando le alghe da altre direzioni l'effetto dorato-brillante doveva sparire. Per fare la prova ho dapprima rimosso con la mano in un punto della supeficie stagnante il film superficiale di alghe, in modo da avere un "bianco" della superficie priva di film riflettente (spot bianco in figura seguente). A questo punto, seguendo lo schema di figura, ho iniziato a riprendere delle semplici foto digitali, col flash, riprendendo contemporaneamente nella stessa immagine sia la superficie "pulita" che la circostante superficie coperta di alghe.

In ogni foto variavo di circa 15° (leggendo l'inclinazione dalla fotocamera) l'angolo di elevazione della foto, cercando di lavorare sempre sul piano di incidenza che passa attraverso il centro della entrata della tomba. Il problema maggiore è stato evitare di disturbare la superficie dell'acqua, ovvero ho dovuto fare l'equilibrista con i piedi sulla parte emersa della tomba.

Alla fine del gioco, con un normalissimo editor di immagini ho misurato la luminosità di ciascuna immagine in corrispondenza della superficie libera dal film algale e nella vicina area coperta di alghe. Il rapporto tra le due intensità fornisce il fattore di incremento della luminosià prodotto dal film algale rispetto all'acqua "pulita". Ho ripetuto il calcolo per i tre colori base RGB della fotografia, . Facile, no? Ecco il risultato:

Sulla destra della figura l'ingresso della tomba, il cui "centro" era a circa 28° di elevazione.

Alla sinistra della figura (180°) il fondo buio della tomba, con i suoi letti mortuari in pietra: il rapporto tra la luminosita' della fotografia con o senza alghe è qui a 180° circa 1, ovvero le alghe sono "trasparenti" alla luce incidente del flash e non producono effetti "strani", se le si illumina da quella parte.

Sul lato destro invece il grafico mostra che le alghe hanno ruotato i loro cloroplasti a coppetta in modo da raccogliere (e così facendo anche retroriflettere..) la luce proveniente dall'ingresso della tomba (freccia grigia)...

E con buona efficienza: la luce verde (centrata su 546 nm, G) viene retrodiffusa con 6 volte l'intensità che proverrebbe dalla sola superficie di acqua pura. Nel rosso (centrato su 700 nm, R) e nel blu (centrato su 436 nm, B) l'effetto è meno intenso, ma tuttavia consistente. Un incremento di circa 4.5 nel rosso e 3 nel Blu.

In pratica ci troviamo di fronte a dei catarifrangenti naturali. L'interessante e' la direzionalità attiva, ovvero tutta le cellule alla superficie del film "seguono" attivamente la direzione di provenienza della luce. Un effetto che sarebbe bello ricostruire con le moderne nanotecnologie, e con numerose applicazioni pratiche....