Un nuevo estudio revela el explosivo secreto del pepino del diablo, que expulsa sus semillas con un chorro de fluido a presión que llega hasta a 10 metros
Un equipo dirigido por la Universidad de Oxford ha resuelto un misterio que ha intrigado a los científicos durante siglos: ¿cómo expulsa el fluido el pepino del diablo? Los resultados, obtenidos mediante una combinación de experimentos, videografía de alta velocidad, análisis de imágenes y modelización matemática avanzada, se publican hoy (25 de noviembre) en The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
El pepino del diablo, chombrillo amargo o elaterio (Ecballium elaterium, del griego «ekballein», que significa arrojar) recibe su nombre del método balístico que utiliza la especie para dispersar sus semillas. Cuando maduran, los frutos ovoides se desprenden del tallo y expulsan las semillas de forma explosiva en un chorro de mucílago (una sustancia viscosa) 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 aterricen a distancias de hasta 250 veces la longitud del fruto (unos 10 m).
Hasta ahora, no se conocía bien el mecanismo exacto de dispersión de las semillas del pepino del diablo ni cómo afectaba a su éxito reproductivo. En el nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Oxford y la Universidad de Manchester realizaron diversos experimentos con ejemplares de Ecballium cultivados en el Jardín Botánico de la Universidad de Oxford.
El fruto del pepinillo del diable Ecballium elaterium. Crédito: Chris Thorogood
Entre otras cosas, filmaron la dispersión de las semillas con una cámara de alta velocidad (que captaba hasta 8600 fotogramas por segundo), midieron el volumen del fruto y del tallo antes y después de la dispersión, realizaron pruebas de indentación y tomografías computarizadas de un pepino intacto y vigilaron el fruto con fotografías time-lapse en los días previos al lanzamiento. A continuación, desarrollaron una serie de modelos matemáticos para describir la mecánica del fruto presurizado, el tallo y las trayectorias balísticas de las semillas.
Con 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 presurizan debido a la acumulación de líquido mucilaginoso.
- Redistribución de los fluidos: En los días previos a la dispersión, parte de este fluido se redistribuye del fruto al tallo, haciéndolo más largo, grueso y rígido. Esto hace que el fruto pase de estar casi vertical a un ángulo cercano a los 45°, un elemento clave necesario para el éxito del lanzamiento de las semillas.
- Un rápido retroceso: En los primeros cientos de microsegundos de la eyección, la punta del tallo retrocede alejándose del fruto, lo que provoca que éste gire en sentido contrario.
- 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 siguientes, la velocidad de salida disminuye (porque la presión de la cápsula del fruto, ahora vacía, disminuye) mientras que el ángulo de lanzamiento aumenta (debido a la rotación del fruto). Esto hace que las semillas iniciales alcancen la distancia más lejana, y que las semillas posteriores aterricen más cerca. Como se distribuyen múltiples frutos alrededor del centro de la planta, el resultado global es una distribución amplia y casi uniforme de semillas que cubren una zona en forma de anillo a una distancia de entre 2 y 10 m de la planta madre.
Juntos, estos componentes constituyen un sofisticado sistema de dispersión de semillas. En particular, se cree que la redistribución del fluido desde el fruto hacia el tallo es única en el reino vegetal.
Ecballium elaterium. Crédito: Derek Moulton
Utilizando el modelo matemático, los investigadores exploraron las consecuencias de alterar artificialmente distintos parámetros. Esto reveló que el método de proyección de semillas del pepino del diablo se ha afinado para garantizar una dispersión casi óptima y el éxito de la planta a lo largo de generaciones.
Por ejemplo, al hacer el tallo más grueso y rígido, las semillas se lanzaban casi horizontalmente, ya que el fruto rotaba menos durante la descarga. Esto haría que las semillas se distribuyeran por un área más estrecha, con menos probabilidades de sobrevivir.
Mientras tanto, la reducción de la cantidad de fluido redistribuido desde el fruto al tallo daba lugar a un fruto sobrepresurizado, lo que provocaba que las semillas fueran expulsadas a mayor velocidad pero con un ángulo de lanzamiento casi vertical. En consecuencia, las semillas no se dispersarían lo suficiente lejos de la planta madre y, de nuevo, pocas sobrevivirían.
Su autor, el Dr. Chris Thorogood (Director Adjunto y Jefe de Ciencias del Jardín Botánico de Oxford), ha declarado: ‘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, hemos empezado por fin a desentrañar este gran enigma botánico».
Fotograma que muestra el chorro expulsado por un pepinillo del diable, que transporta sus semillas a distancias de hasta 10 m de la planta madre. Crédito: Dominic Vella
En palabras del Dr. Derek Moulton (catedrático de Matemáticas Aplicadas del Instituto Matemático de Oxford), coautor del estudio: `La primera vez que inspeccionamos esta planta en el Jardín Botánico, el lanzamiento de las semillas fue tan rápido que no estábamos seguros de que se hubiera producido realmente. Fue muy emocionante investigar y descubrir el mecanismo de esta planta única».
Según Finn Box, coautor del trabajo (Royal Society University Research Fellow, Universidad de Manchester), «esta investigación ofrece aplicaciones potenciales en ingeniería bioinspirada y ciencia de materiales, sobre todo en sistemas de administración de fármacos a demanda, por ejemplo microcápsulas que expulsan nanopartículas en las que es crucial un control preciso de la liberación rápida y direccional».
Ecballium elaterium pertenece a la familia de las calabazas (Cucurbitaceae), a la que también pertenecen el melón, la calabaza, el calabacín y el calabacín. La especie es originaria del Mediterráneo, donde, gracias a su eficaz estrategia de dispersión de semillas, suele considerarse una mala hierba. La planta fue descrita por los antiguos griegos y romanos: el naturalista Plinio el Viejo (23/24 – 79 d.C.) decía: «A menos que, para prepararlo, se corte el pepino antes de que esté maduro, la semilla brota a borbotones, poniendo incluso en peligro los ojos».
REFERENCIA
