¡Banco, banco, banco! Estas plantas disparan sus semillas como balas.

Los arbustos en flor conocidos como hamamelis son quizás más conocidos por su uso en la medicina popular y como ungüento tópico natural para la piel. Pero las semillas también son de interés para biofísicos e ingenieros porque las cápsulas de hamamelis pueden dispararlas a velocidades increíblemente rápidas, gracias a un mecanismo de resorte incorporado. Investigadores de la Universidad de Duke han descubierto por qué, contrariamente a lo esperado, las velocidades de lanzamiento de las semillas son aproximadamente las mismas, a pesar de que las semillas de distintas especies pueden tener masas sustancialmente diferentes. Describieron sus resultados en un nuevo artículo publicado en el Journal of the Royal Society Interface.

“La gente me pregunta todo el tiempo: ‘¿Por qué estás mirando plantas que dan semillas?’”, dijo el coautor Justin Jorge, estudiante de posgrado en Duke. “Es la rareza de sus resortes. Cuando pensamos en cosas elásticas, normalmente pensamos en gomas elásticas, bobinas o arcos de tiro con arco. Pero en biología tenemos todas estas formas extrañas y complejas. Quizás estas formas tengan algunos beneficios que puedan usarse para mejorar el diseño de resortes sintéticos, como los utilizados en pequeños robots saltadores, pero primero debemos entender cómo funcionan estos resortes biológicos”.

Según Jorge y su coautora, la asesora Sheila Patek, existen innumerables ejemplos de manantiales biológicos en la naturaleza que abarcan una amplia gama de escalas de tamaño y funciones, incluidos saltamontes, hongos bala de cañón y trampas para plantas carnívoras de vejiga, todos los cuales utilizan esos mecanismos. para lanzar proyectiles. Las hormigas con mandíbula trampa usan un resorte para lanzar sus mandíbulas y capturar a sus presas, mientras que los saltamontes usan sus patas elásticas para ahuyentar a los depredadores. Ambas especies, así como el saltamontes, también pueden utilizar el mecanismo para lanzar sus cuerpos. Y las plantas con flores como el hamamelis utilizan el accionamiento del resorte para lanzar semillas de sus frutos.

A Jorge le fascinó esto último. El mecanismo básico involucra la suave semilla proyectil y la estructura dura que la recubre, llamada endocarpio. Cuando llega el momento de dispersar la semilla, el endocarpio leñoso comienza a secarse (secarse) y deformarse, y esta deformación aplica una fuerza sobre la semilla. Pero la semilla resiste esa fuerza deformante, por lo que la presión se acumula a partir de toda la energía (potencial) almacenada en el endocarpio. Finalmente, esa presión se vuelve lo suficientemente grande como para superar la resistencia de la semilla, y la semilla es expulsada con fuerza, alcanzando a menudo velocidades de 30 pies por segundo en medio milisegundo. Velocidades más rápidas significan una mejor propagación de las semillas para que las especies puedan avanzar y multiplicarse.

Para obtener más información, Jorge primero recolectó frutos de hamamelis de tres especies diferentes de Duke Gardens y Duke Forest, ambos en Durham, Carolina del Norte. Cada fruta intacta se unió a un bloque de metal por la base (de modo que el endocarpio pudiera retroceder libremente) usando pegamento de cianoacrilato. Luego se sujetó el bloque de metal en su lugar y se filmó el lanzamiento de semillas con una cámara de alta velocidad a 100.000 fotogramas por segundo mientras se rastreaban automáticamente sus trayectorias. Después del lanzamiento, Jorge recolectó las semillas y les realizó diversas pruebas de caracterización de materiales, además de medir la masa tanto de semillas como de endocarpios, para calcular la relación entre esas dos variables.

Normalmente existe un equilibrio entre la masa de un proyectil y su velocidad de lanzamiento; por ejemplo, las flechas más pesadas disparadas por una ballesta se mueven más lentamente que las flechas más ligeras. Pero Jorge y Patek descubrieron que las velocidades de lanzamiento de las semillas de hamamelis eran básicamente las mismas a pesar de sus diferentes masas. (Algunas semillas pesaban menos que un grano de arroz: sólo 15 miligramos, mientras que otras tenían diez veces esa masa).

«Una ballesta puede disparar flechas más pesadas a velocidades similares o incluso mayores que las flechas más ligeras si la cuerda del arco se tira más hacia atrás, para las flechas más pesadas, o si se usa una ballesta diferente que requiere más fuerza o desplazamiento y, por lo tanto, puede almacenar más energía potencial elástica. «, escribieron Jorge y Patek. Y al menos una especie de camarón mantis también puede aumentar el almacenamiento de energía potencial elástica en proporción al aumento de la masa corporal. El hamamelis ha desarrollado una adaptación similar. Aquellos con semillas más pesadas también tienen endocarpios más grandes que pueden almacenar energía potencial más elástica. El siguiente paso será analizar las diversas fuerzas que actúan sobre una semilla de hamamelis mientras vuela por el aire.

Las lecciones aprendidas de dicha investigación podrían ayudar a mejorar los motores robóticos y los sistemas accionados por resorte. El hecho de que las semillas de hamamelis utilicen una única estructura como motor y resorte representa una ventaja significativa, según Jorge y Patek. Por ejemplo, un estudio de 2021 informó sobre el desarrollo de un saltador de hidrogel sintético, inspirado en plantas, que salta mediante el accionamiento de un resorte. Esto «revela el potencial de aprovechar la energía ambiental para impulsar la actuación», concluyeron. «El hamamelis y otras plantas que producen semillas proporcionan una gran cantidad de ejemplos de materiales y geometrías utilizadas para formar estructuras combinadas de motor y resorte».

Journal of the Royal Society Interface, 2023. DOI: 10.1098/rsif.2023.0234 (Acerca de los DOI).

Imagen de listado de YouTube/Universidad de Duke