Un equipo dirigido por la Universidad de Oxford ha resuelto un misterio que ha intrigado a los científicos durante siglos: ¿cómo expulsa chorros el pepino?
Los hallazgos, logrados mediante una combinación de experimentos, videografía de alta velocidad, análisis de imágenes y modelos matemáticos avanzados, fueron publicados el 25 de noviembre en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) .
El pepino que arroja (Ecballium elaterium, del griego «ekballein», que significa arrojar) recibe su nombre por el método balístico que utiliza la especie para dispersar sus semillas. Cuando maduran, los frutos, de forma ovoidal, se desprenden del tallo y expulsan las semillas de forma explosiva en un chorro de mucílago a alta presión.
Este lanzamiento de proyectil, que dura apenas 30 milisegundos, hace que las semillas alcancen velocidades de unos 20 metros por segundo y caigan a distancias hasta 250 veces la longitud del fruto (unos 10 m).
Hasta ahora, el mecanismo exacto de dispersión de las semillas del pepino y cómo esto afecta a su éxito reproductivo seguía siendo poco conocido. En el nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Oxford y la Universidad de Manchester llevaron a cabo una serie de experimentos con especímenes de Ecballium cultivados en el Jardín Botánico de la Universidad de Oxford.
Esto incluyó filmar la dispersión de las semillas usando una cámara de alta velocidad (capturando hasta 8.600 cuadros por segundo), medir el volumen de la fruta y el tallo antes y después de la dispersión, realizar pruebas de sangría y tomografías computarizadas de un pepino intacto y monitorear la fruta con fotografías de lapso de tiempo en los días previos al lanzamiento.
Luego desarrollaron un conjunto de modelos matemáticos para describir la mecánica de la fruta presurizada, el tallo y las trayectorias balísticas de las semillas.
Utilizando este enfoque combinado, el equipo dilucidó los componentes clave de la estrategia de dispersión de la planta:
- Un sistema presurizado : en las semanas previas a la dispersión de las semillas, los frutos se encuentran altamente presurizados debido a una acumulación de líquido mucilaginoso.
- Redistribución de fluidos : En los días previos a la dispersión, parte de este fluido se redistribuye desde la fruta al tallo, lo que hace que este sea más largo, más grueso y más rígido. Esto hace que la fruta rote desde una posición casi vertical hasta un ángulo cercano a los 45°, un elemento clave necesario para el lanzamiento exitoso de las semillas.
- Un retroceso rápido : en los primeros cientos de microsegundos de expulsión, la punta del tallo retrocede alejándose de la fruta, lo que hace que esta gire en la dirección opuesta.
- Lanzamiento variable : Debido a los componentes anteriores, las semillas son expulsadas con una velocidad de salida y un ángulo de lanzamiento que dependen de su secuencia: con las semillas posteriores, la velocidad de salida disminuye (porque la presión de la cápsula de fruta que ahora se está vaciando disminuye) mientras que el ángulo de lanzamiento aumenta (debido a la rotación de la fruta). Esto hace que las semillas iniciales alcancen la distancia más lejana, y las semillas posteriores caigan más cerca. Como múltiples frutas se distribuyen alrededor del centro de la planta, el resultado general es una distribución amplia y casi uniforme de semillas que cubren un área en forma de anillo a una distancia de entre 2 y 10 m de la planta madre.
En conjunto, estos componentes forman un sofisticado sistema de dispersión de semillas. En particular, se cree que la redistribución del líquido desde el fruto hacia el tallo es única en el reino vegetal.
Utilizando el modelo matemático, los investigadores exploraron las consecuencias de alterar artificialmente diferentes parámetros. Esto reveló que el método de proyección de semillas del pepino que arroja chorros se ha perfeccionado para garantizar una dispersión casi óptima y el éxito de la planta a lo largo de generaciones.
Por ejemplo, si se hacía que el tallo fuera más grueso y rígido, las semillas se lanzarían casi horizontalmente, ya que el fruto rotaría menos durante la descarga. Esto haría que las semillas se distribuyeran en un área más estrecha y que hubiera menos probabilidades de sobrevivir.
Mientras tanto, la reducción de la cantidad de fluido redistribuido desde la fruta al tallo dio como resultado una fruta sobrepresurizada, lo que provocó que la semilla fuera expulsada a mayor velocidad pero en un ángulo de lanzamiento casi vertical. En consecuencia, las semillas no se dispersarían lo suficientemente lejos de la planta madre y, nuevamente, pocas sobrevivirían.
El fruto del pepino de agua dulce, Ecballium elaterium. Crédito: Chris Thorogood.
Imagen que muestra el chorro expulsado por un pepino que lleva sus semillas a distancias de hasta 10 metros de la planta madre. Crédito: Dominic Vella.
El autor, el Dr. Chris Thorogood (subdirector y jefe de Ciencias del Jardín Botánico de Oxford), afirmó: «Durante siglos, la gente se ha preguntado cómo y por qué esta extraordinaria planta envía sus semillas al mundo de una forma tan violenta. Ahora, como equipo de biólogos y matemáticos, finalmente hemos comenzado a desentrañar este gran enigma botánico».
El coautor, el Dr. Derek Moulton (profesor de Matemáticas Aplicadas en el Instituto de Matemáticas de Oxford) dijo: «La primera vez que inspeccionamos esta planta en el Jardín Botánico, la liberación de semillas fue tan rápida que no estábamos seguros de que realmente hubiera sucedido. Fue muy emocionante excavar y descubrir el mecanismo de esta planta única».
Según el coautor, el Dr. Finn Box (investigador de la Royal Society University, Universidad de Manchester), «Esta investigación ofrece posibles aplicaciones en ingeniería de inspiración biológica y ciencia de los materiales , en particular en sistemas de administración de fármacos a demanda, por ejemplo, microcápsulas que expulsan nanopartículas donde el control preciso de la liberación rápida y direccional es crucial».
Ecballium elaterium es un miembro de la familia de las cucurbitáceas, que también incluye al melón, la calabaza, el calabacín y el calabacín. La especie es originaria del Mediterráneo, donde, gracias a su eficaz estrategia de dispersión de semillas, a menudo se la considera una mala hierba.
La planta fue descrita por los antiguos griegos y romanos. El naturalista Plinio el Viejo (23/24 d. C.–79 d. C.) dijo: «A menos que, para prepararla, se corte el pepino antes de que madure, la semilla brota, poniendo en peligro incluso los ojos».
Más información: Moulton, Derek E., Descubriendo los secretos mecánicos del pepino que arroja chorros, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI: 10.1073/pnas.2410420121 . www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2410420121
