Scoperto il meccanismo del cetriolo spruzzatore

Roma – Spiegato il meccanismo esatto della dispersione dei semi del cetriolo spruzzatore, Ecballium elaterium, dal greco ‘ekballein’, che significa buttare via, e come questo influenzi il suo successo riproduttivo. A farlo un gruppo di ricerca guidato dall’Università di Oxford e dell’Università di Manchester, in uno studio riportato su The Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS. Il cetriolo spruzzatore deve il suo nome al metodo balistico che la specie usa per disperdere i suoi semi. Quando sono maturi, i frutti di forma ovoidale si staccano dallo stelo ed espellono i semi in modo esplosivo in un getto ad alta pressione di mucillagine. Questo lancio, che dura appena 30 millisecondi, fa sì che i semi raggiungano velocità di circa 20 metri al secondo e atterrino a distanze fino a 250 volte la lunghezza del frutto, a circa 10 metri. Finora, il processo è rimasto poco compreso. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti su esemplari di Ecballium coltivati ​​presso l’University of Oxford Botanic Garden. Ciò includeva la ripresa della dispersione dei semi utilizzando una telecamera ad alta velocità, in grado di catture fino a 8600 fotogrammi al secondo, la misurazione del volume del frutto e dello stelo prima e dopo la dispersione, l’esecuzione di test di indentatura, scansioni TC di un cetriolo intatto e il monitoraggio del frutto con fotografia time-lapse nei giorni precedenti al lancio. I ricercatori hanno quindi sviluppato una serie di modelli matematici per descrivere la meccanica del frutto pressurizzato, dello stelo e le traiettorie balistiche dei semi. Utilizzando questo approccio combinato, il gruppo di ricerca ha chiarito i componenti chiave della strategia di dispersione della pianta, che possiede un sistema pressurizzato, dove nelle settimane che precedono la dispersione dei semi, i frutti vengono sottoposti a un’elevata pressione a causa dell’accumulo di fluido mucillaginoso. Nei giorni precedenti alla dispersione, parte di questo fluido viene ridistribuito dal frutto allo stelo, rendendo lo stelo più lungo, più spesso e più rigido. Ciò fa sì che il frutto ruoti da una posizione quasi verticale a un angolo vicino a 45 gradi, un elemento chiave necessario per il lancio di successo dei semi. Nelle prime centinaia di microsecondi dall’espulsione, la punta dello stelo si allontana dal frutto, facendo sì che quest’ultimo ruoti in senso opposto. In seguito, i semi vengono espulsi con una velocità di uscita e un angolo di lancio che dipendono dalla loro sequenza: con i semi successivi, la velocità di uscita diminuisce, perché la pressione della capsula del frutto che ora si sta svuotando diminuisce, mentre l’angolo di lancio aumenta a causa della rotazione del frutto. Ciò fa sì che i semi iniziali raggiungano la distanza maggiore, con i semi successivi che atterrano più vicino. Poiché più frutti vengono distribuiti attorno al centro della pianta, il risultato complessivo è una distribuzione ampia e quasi uniforme di semi che coprono un’area a forma di anello a una distanza compresa tra 2 e 10 metri dalla pianta madre. Insieme, questi componenti costituiscono a creare un sofisticato sistema di dispersione dei semi. In particolare, si pensa che la ridistribuzione del fluido dal frutto allo stelo sia unica nel regno vegetale. Utilizzando il modello matematico, i ricercatori hanno esplorato le conseguenze dell’alterazione artificiale di diversi parametri. Ciò ha rivelato che il metodo di proiezione dei semi del cetriolo spruzzatore è stato messo a punto per garantire una dispersione quasi ottimale e il successo della pianta nel corso delle generazioni. Ad esempio, rendendo lo stelo più spesso e rigido, i semi venivano lanciati quasi orizzontalmente, poiché il frutto ruotava meno durante lo scarico. Ciò causava la distribuzione dei semi su un’area più ristretta, con minori probabilità di sopravvivenza. Nel frattempo, la riduzione della quantità di fluido ridistribuito dal frutto allo stelo ha portato a un frutto sovrapressurizzato, che ha causato l’espulsione del seme a velocità maggiori ma con un angolo di lancio quasi verticale. Di conseguenza, i semi non sarebbero stati dispersi abbastanza lontano dalla pianta madre e, ancora una volta, pochi sarebbero sopravvissuti. “Per secoli le persone si sono chieste come e perché questa straordinaria pianta invia i suoi semi nel mondo in modo così violento”, ha detto Chris Thorogood, vicedirettore e responsabile scientifico dell’Oxford Botanic Garden. “Ora, come gruppo di biologi e matematici, abbiamo finalmente iniziato a svelare questo grande enigma botanico”, ha continuato Thorogood. “La prima volta che abbiamo esaminato questa pianta nel Giardino Botanico, il lancio dei semi è stato così rapido che non eravamo sicuri che fosse effettivamente avvenuto”, ha dichiarato Derek Moulton, professore di matematica applicata all’Oxford Mathematical Institute. “È stato molto emozionante scavare a fondo e scoprire il meccanismo di questa pianta unica”, ha proseguito Moulton. “Questa ricerca offre potenziali applicazioni nell’ingegneria bioispirata e nella scienza dei materiali, in particolare nei sistemi di somministrazione di farmaci su richiesta, ad esempio microcapsule che espellono nanoparticelle, per le quali è fondamentale un controllo preciso del rilascio rapido e direzionale”, ha affermato Finn Box, Royal Society University Research Fellow, University of Manchester. Ecballium elaterium è un membro della famiglia delle cucurbitacee, Cucurbitaceae, che comprende anche melone, zucca, zucchina e zucchino. La specie è originaria del Mediterraneo, dove, grazie alla sua efficace strategia di dispersione dei semi, è spesso considerata un’erba infestante. (30Science.com)