I girasoli compiono piccoli movimenti per aumentare la loro esposizione al sole, che i fisici possono modellare per prevedere come cresceranno

La maggior parte di noi non passa le giornate a monitorare la crescita delle nostre piante d’appartamento. Vediamo segni di vita in essi solo di tanto in tanto: una nuova foglia che sboccia o uno stelo che si sporge verso la finestra.

Ma nell’estate del 1863, Charles Darwin era a letto malato e non aveva altro da fare che osservare attentamente le sue piante finché non fu in grado di rilevare i loro piccoli movimenti avanti e indietro. Girato in tondo Finché non si imbatterono in un bastone, che iniziarono a girare.

“Mi diverto molto con le mie corde.” Ha scritto.

Questo passatempo sbocciò in un fascino decennale per il mondo altrimenti inosservato dei movimenti delle piante. Raccolse le sue dettagliate osservazioni ed esperimenti in un libro pubblicato nel 1880 intitolato “La forza del movimento nelle piante“.”

In uno studio, ha detto Traccia il movimento della foglia di chiodi di garofano Ogni poche ore nel corso di tre giorni rivela un percorso irregolare e tortuoso. Le ondulazioni dei rami del cetriolo e gli zigzag delle foglie dei chiodi di garofano sono esempi di movimenti vegetali onnipresenti chiamati “circumnutazioni” – dal latino circum, che significa cerchio, e nutare, che significa cenno.

Le deviazioni variano Questi cambiamenti variano in dimensioni, regolarità e intervallo di tempo tra le specie vegetali. Ma la sua esatta funzione non è ancora chiara.

Sono un fisico Sono interessato a comprendere il comportamento collettivo nei sistemi viventi. Come Darwin, sono affascinato dalle distorsioni, perché potrebbero essere alla base di fenomeni più complessi nei gruppi vegetali.

Modelli di girasole

Lo ha rivelato uno studio condotto nel 2017 Un’osservazione affascinante che ha portato me e i miei colleghi a chiederci quale ruolo potrebbero svolgere le convoluzioni nei modelli di crescita delle piante. In questo studio, i ricercatori hanno scoperto che i girasoli piantati in una fila fitta formavano naturalmente uno schema a zigzag quasi perfetto, con ciascuna pianta che si sporgeva dalla fila in direzioni alternate.

Questo schema ha permesso alle piante di evitare l’ombra dei vicini e di aumentare la loro esposizione alla luce solare. Questi girasoli sono sbocciati.

I ricercatori hanno poi piantato alcune piante con la stessa densità, ma le hanno limitate in modo che crescessero solo in posizione verticale senza inclinarsi. Queste piante legate producevano meno olio rispetto alle piante che potevano appoggiarsi e ricevere la massima luce solare.

Anche se gli agricoltori non possono coltivare girasoli vicini gli uni agli altri a causa del rischio di diffusione di malattie, in futuro potrebbero essere in grado di utilizzare questi modelli per elaborare nuove strategie di semina.

Auto-organizzazione e casualità

La formazione di questo modello spontaneo è un elegante esempio di auto-organizzazione in natura. Autoregolamentazione Questo termine si riferisce ai casi in cui sistemi inizialmente non organizzati, come una foresta di piante o uno sciame di api, raggiungono l’ordine senza che nulla li controlli. Il sistema nasce dalle interazioni tra i singoli membri del sistema e dalle loro interazioni con l’ambiente.

In modo un po’ controintuitivo, il rumore – chiamato anche casualità – facilita l’autoregolamentazione. Consideriamo qui una colonia di formiche.

Le formiche secernono feromoni dietro di sé mentre strisciano verso una fonte di cibo. Altre formiche trovano questa fonte di cibo seguendo le tracce dei feromoni, e le formiche rafforzano la traccia che hanno seguito secernendo a loro volta i propri feromoni. Nel corso del tempo, le formiche convergono sul percorso migliore per raggiungere il cibo e prevale un percorso.

Ma se diventa possibile trovare un percorso più breve, le formiche non saranno necessariamente in grado di trovarlo semplicemente seguendo il percorso esistente.

Ma se un gruppo di formiche deviasse casualmente dal percorso, potrebbero inciampare nel percorso più breve e crearne uno nuovo. Pertanto, questa casualità introduce un cambiamento automatico nel sistema delle formiche che consente loro di esplorare scenari alternativi.

Alla fine, più formiche seguiranno il nuovo percorso, e presto prevarrà il percorso più breve. Questa casualità aiuta le formiche ad adattarsi ai cambiamenti ambientali, poiché un piccolo numero di formiche cerca spontaneamente percorsi più diretti per raggiungere la loro fonte di cibo.

In biologia, i sistemi auto-organizzati possono essere trovati su una vasta gamma di scale, da… Schemi di proteine ​​all’interno delle cellule Alle colonie di api socialmente complesse che costruiscono collettivamente nidi e si nutrono di nettare.

Casualità nell’autorganizzazione della tornasole

Le distrazioni casuali e irregolari potrebbero supportare l’autorganizzazione dei girasoli?

Io e i miei colleghi abbiamo deciso di esplorare questa domanda seguendo la crescita dei piccoli girasoli che abbiamo coltivato in laboratorio. Utilizzando fotocamere che fotografano le piante ogni cinque minuti, Abbiamo seguito il movimento Delle piante per vedere i loro percorsi circolari.

Abbiamo visto alcuni anelli e spirali e molti zigzag. Alla fine questi movimenti sembravano in gran parte casuali, proprio come il garofano di Darwin. Ma quando abbiamo messo insieme le piante in file, queste hanno iniziato ad allontanarsi l’una dall’altra, formando le stesse formazioni a zigzag che abbiamo visto nello studio precedente.

Abbiamo analizzato I ricercatori hanno misurato il movimento delle piante e hanno scoperto che, in un dato momento, la direzione del movimento di una pianta sembra essere completamente indipendente da come si muoveva circa mezz’ora prima. Se misurassi il movimento di una pianta una volta ogni 30 minuti, sembrerebbe muoversi in modo del tutto casuale.

Abbiamo anche misurato l’entità della crescita delle foglie delle piante per un periodo di due settimane. Mettendo insieme tutti questi risultati, dipingiamo un quadro di come una pianta si muove e cresce da sola. Queste informazioni ci hanno permesso di creare un modello computerizzato di un girasole e di simularne il comportamento nel corso della sua crescita.

Modello girasole

Abbiamo modellato ogni pianta come una corona circolare su uno stelo, con la corona che si espande in base al tasso di crescita misurato sperimentalmente. La pianta simulata si muoveva in maniera del tutto casuale, facendo un “passo” ogni mezz’ora.

Abbiamo creato un motivo a girasole con movimenti circolari di intensità minore o maggiore regolando le dimensioni dei passi. A un’estremità dello spettro, i girasoli avevano maggiori probabilità di fare piccoli passi rispetto a quelli grandi, risultando in media in movimenti lenti e insignificanti. All’altra estremità c’erano i girasoli che avevano la stessa probabilità di fare passi grandi che piccoli, risultando in un movimento molto irregolare. I veri girasoli che abbiamo osservato nel nostro esperimento erano da qualche parte nel mezzo.

Le piante hanno bisogno della luce per crescere e hanno sviluppato questa capacità Per rilevare l’ombra e cambiare la direzione della loro crescita In risposta.

Volevamo che il nostro motivo a girasole fosse simile a questo. Quindi, l’abbiamo progettato in modo che due piante troppo vicine l’una all’ombra dell’altra inizino a sporgersi in direzioni opposte.

Infine, volevamo vedere se potevamo replicare lo schema a zigzag che abbiamo osservato con i girasoli veri nel nostro modello.

Innanzitutto, abbiamo adattato il modello del girasole per eseguire piccoli movimenti circolari. Le risposte per evitare l’ombra le allontanavano l’una dall’altra, ma questo non era sufficiente a produrre zigzag: le piante modello rimanevano bloccate su una linea. In fisica, questo lo chiamiamo sistema “frustrato”.

Disponiamo quindi le piante in modo che formino grandi cerchi. Le piante iniziarono a muoversi secondo schemi casuali che spesso le avvicinavano tra loro piuttosto che allontanarle. Ancora una volta, non c’era uno schema a zigzag come visto sul campo.

Ma quando abbiamo impostato le piante modello per compiere movimenti abbastanza ampi, simili alle nostre misurazioni sperimentali, le piante sono state in grado di organizzarsi in uno schema a zigzag che ha dato a ciascun girasole un’esposizione alla luce ottimale.

COSÌ, Abbiamo mostrato Questi movimenti casuali e irregolari hanno aiutato le piante a esplorare l’ambiente circostante per trovare le disposizioni desiderate che avrebbero favorito la loro crescita.

Le piante sono più dinamiche di quanto si pensi. Prendendosi il tempo per seguirli, scienziati e agricoltori possono scoprirne i segreti e sfruttare il movimento delle piante a proprio vantaggio.