La disposizione delle foglie spiegata dalla matematica
Una nuova equazione, ispirata dalle specie vegetali giapponesi, descrive la fillotassi: la disposizione delle foglie sulla pianta.
Delle foglie, l’organo che permette alla pianta la traspirazione e la respirazione, conosciamo molte cose: sappiamo che forme, nervature e colori possono essere diversi, ne sono note l’istologia e la biologia cellulare. Eppure, c’è un aspetto delle foglie che ha ancora alcuni segreti per gli scienziati. Si tratta del meccanismo che regola la loro disposizione sulla pianta o, in termini più precisi, la fillotassi. L’equazione matematica usata finora dagli scienziati per creare dei modelli della disposizione delle foglie ha alcuni limiti, come il fatto che alcuni arrangiamenti inusuali non riescano a essere calcolati.
Per superare questi limiti, un gruppo di ricercatori dell’Università di Tokyo ha sviluppato un nuovo modello, non solo in grado di descrivere i pattern di fillotassi più peculiari, ma che in generale riflette in modo più accurato il range di diversità di quasi tutti i pattern di disposizione delle foglie presenti in natura.
Gioco d’angolo
La disposizione delle foglie è fondamentale per la pianta, perché permette di ottimizzare le condizioni d’illuminazione, che a sua volta consente alle cellule di svolgere la fotosintesi clorofilliana. Per descrivere la fillotassi di una pianta, si può considerare l’angolo che le foglie formano tra loro, partendo dalle più vecchie e spostandosi man mano alle più giovani. Si possono così osservare pattern caratteristici, diversi fra le differenti specie: il basilico e la menta, ad esempio, presentano foglie disposte tra loro con un angolo di 90 gradi, mentre alcune piante, come l’aloe, dispongono le loro foglie in una spirale in cui l’angolo tra le foglie corrisponde all’angolo aureo, circa 137,5 gradi.
I ricercatori giapponesi sono partiti da un particolare pattern di disposizione delle foglie, detto orixata, nel quale le foglie presentano una ripetizione periodica di una sequenza di diversi angoli di divergenza: sono disposte tra loro a 180, 90, 180 e 270 gradi. Si tratta di un arrangiamento caratteristico di Orixa japonica (un arbusto nativo del Giappone, della Cina e della penisola coreana) e di poche altre specie, non imparentate tra loro. Poiché sembrava improbabile che questa disposizione inusuale si fosse evoluta in modo indipendente più volte, gli autori dell’articolo, recentemente pubblicato sulla rivista PLOS Computational Biology, hanno ipotizzato che la formazione del pattern fosse dovuta al macchinario cellulare e genetico condiviso da tutte le piante.
Ormoni ed equazioni per la fillotassi
Una serie di studi sperimentali condotti negli anni 2000 ha dimostrato che sono in particolare le auxine, una classe di ormoni vegetali, a essere associate alla fillotassi. Le auxine sono ormoni fondamentali per la pianta, nella quale sono coinvolti nei processi di accrescimento. Partecipano inoltre alla formazione del pattern delle foglie: probabilmente, le foglie emettono segnali ormonali verso le foglie vicine, inibendone la crescita, ma allontanandosi dalla foglia il segnale si fa più debole e le altre foglioline possono svilupparsi.
Questo meccanismo è l’assunto base dell’equazione che fa da base al modello matematico per la disposizione delle foglie della pianta, conosciuta come DC2, la forma più generica dell’equazione che prende il nome dai fisici francesi Yves Couder e Stéphane Douady, che la misero a punto nel 1996.
Sebbene in grado di generare molti dei pattern fogliari osservati in natura, cambiando le variabili della fisiologia della pianta (ad esempio la forze dei segnali chimici), l’equazione non calcola mai alcuni degli arrangiamenti più rari; inoltre, l’arrangiamento a spirale basato sull’angolo aureo, pur essendo quello più frequentemente riscontrabile in natura, appare appena poco più comune degli altri pattern calcolati dall’equazione DC2.
Una nuova equazione
Per superare i limiti di dell’equazione DC2, i ricercatori giapponesi ne hanno modificato un assunto di base: che il segnale mandato dalle foglie alle vicine per inibirne la crescita sia costante. «Abbiamo modificato quest’assunto fondamentale: il potere inibitorio non è costante, ma cambia con l’età della foglia», spiega in un comunicato Munetaka Sugiyama, professore associato al Koishikawa Botanical Garden dell’Università di Tokyo, tra gli autori dello studio. «Abbiamo testato sia un aumentato sia un diminuito potere inibitorio all’aumentare dell’età, scoprendo così che è possibile calcolare l’arrangiamento orixata quando il potere inibitorio delle foglie più vecchie è maggiore».
Questa nuova informazione sul cambiamento del potere inibitorio legato all’età della foglia potrà essere utile per i futuri studi di genetica e fisiologia dello sviluppo delle piante. Intanto, la nuova formula dell’equazione, battezzata ECD2 (Expanded Couder and Douady 2) non è comunque perfetta: «Ci sono molti altri arrangiamenti della disposizione delle foglie inusuali e che ancora non sono spiegati dalla formula. Ora stiamo quindi cercando di sviluppare un modello in grado di calcolarli tutti, e non solo quasi tutti», spiega Sugiyama.
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Immagini: Jean-Pol GRANDMONT – Wikimedia Commons CC BY 2.5 | Pixabay 1- 2– 3
