Un articolo pubblicato su Nature Physics, evidenzia come, lo studio di un team di matematici e fisici, sia riuscito a capire – tramite osservazioni, esperimenti di laboratorio, teoria e calcolo – la crescita e la forma della cuspide di una mela.
Le mele sono tra i frutti più antichi e popolari del mondo. Ma avete mai considerato la forma di una mela? Le mele sono relativamente sferiche, tranne che per quella caratteristica fossetta in cima dove cresce il picciolo.
Come fanno le mele ad ottenere quella forma distintiva?
Secondo L Mahadevan professore di matematica applicata alla Lola England de Valpine “Le strutture biologiche sono spesso organizzate dalla presenza di elementi che fungono da punti focali. Questi punti focali possono a volte prendere la forma di peculiarità dove le deformazioni sono localizzate. Un esempio onnipresente è visto nella cuspide di una mela, ovvero la fossetta verso l’interno dove il gambo incontra il frutto”. Afferma Mahadevan, che è anche professore di biologia organismica ed evolutiva e di fisica alla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e autore senior dello studio.
Mahadevan aveva già sviluppato una semplice teoria per spiegare la forma e la crescita delle mele, ma il progetto ha iniziato a dare i suoi frutti quando i ricercatori sono stati in grado di collegare le osservazioni di mele reali in diverse fasi di crescita e gli esperimenti con il gel per imitare la crescita con la teoria e i calcoli.
Il team di ricerca ha iniziato raccogliendo mele in vari stadi di crescita da un frutteto del Peterhouse College dell’Università di Cambridge nel Regno Unito.
Usando queste mele, il team ha mappato la crescita della fossetta, o cuspide come l’hanno chiamata, nel tempo.
Per capire l’evoluzione della forma della mela e della cuspide in particolare, i ricercatori si sono rivolti a una teoria matematica di vecchia data nota come teoria delle singolarità. La teoria delle singolarità è usata per descrivere una serie di fenomeni diversi; dai buchi neri, ad esempi più banali come i modelli di luce sul fondo di una piscina. E ancora la rottura delle gocce o la propagazione delle crepe.
Simulazione numerica per capire come la crescita differenziale porta alla formazione della cuspide
“Ciò che è eccitante delle singolarità è che sono universali. La cuspide della mela non ha nulla in comune con i modelli di luce in una piscina, o con una goccia che si stacca da una colonna d’acqua, eppure ha la stessa forma“; ha aggiunto Thomas Michaels, un ex borsista post-dottorato al SEAS e co-autore principale del documento, ora all’University College di Londra. “Il concetto di universalità va molto in profondità e può essere davvero utile perché collega fenomeni singolari osservati in sistemi fisici molto diversi”.
Partendo da questo quadro teorico, i ricercatori hanno usato una simulazione numerica per capire come la crescita differenziale tra la corteccia della frutta e il nucleo, guida la formazione della cuspide. Hanno poi verificato le simulazioni con esperimenti che hanno imitato la crescita delle mele usando un gel che si è gonfiato nel tempo. Gli esperimenti hanno mostrato che i diversi tassi di crescita tra la massa della mela e la regione del peduncolo hanno portato alla formazione della cuspide a fossetta.
“Essere in grado di controllare e riprodurre la morfogenesi delle cuspidi singolari in laboratorio con semplici strumenti materiali è stato particolarmente eccitante“. Sottoscrive Aditi Chakrabarti, un borsista post-dottorato al SEAS e co-autore del documento. “Variando la geometria e la composizione del gel mimico abbiamo mostrato come si formano le cuspidi multiple, come si vede in alcune mele e altre drupe, come pesche, albicocche, ciliegie e prugne”.
Il team ha scoperto che l’anatomia della frutta sottostante insieme all’instabilità meccanica può giocare ruoli comuni nel dare origine a cuspidi multiple nei frutti
“La morfogenesi, letteralmente l’origine della forma, è una delle grandi domande della biologia“, conclude Mahadevan. “La forma dell’umile mela ci ha permesso di sondare alcuni aspetti fisici di una singolarità biologica. Naturalmente, ora abbiamo bisogno di capire i meccanismi molecolari e cellulari dietro la formazione della cuspide, mentre ci muoviamo lentamente verso una teoria più ampia della forma biologica”.
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