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Utilizando teoría y experimentos, los investigadores muestran cómo las manzanas adquieren su forma

Cómo las manzanas adquieren su forma
Medidas experimentales de cortes transversales de manzanas en diferentes etapas de crecimiento. Crédito: Harvard SEAS

Las manzanas se encuentran entre las frutas más antiguas y reconocibles del mundo. Pero, ¿alguna vez has considerado realmente la forma de una manzana? Las manzanas son relativamente esféricas excepto por ese característico hoyuelo en la parte superior donde crece el tallo.


por Leah Burrows, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard


¿Cómo crecen las manzanas esa forma distintiva ?

Ahora, un equipo de matemáticos y físicos ha utilizado observaciones, experimentos de laboratorio , teoría y computación para comprender el crecimiento y la forma de la cúspide de una manzana .

El artículo se publica en Nature Physics .

«Las formas biológicas a menudo se organizan por la presencia de estructuras que sirven como puntos focales «, dijo L Mahadevan, profesor de Matemática Aplicada, Biología Organísmica y Evolutiva y Física en la Escuela de Harvard John A. Paulson de Lola England de Valpine. Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) y autor principal del estudio. «Estos puntos focales a veces pueden tomar la forma de singularidades donde se localizan las deformaciones. Un ejemplo omnipresente se ve en la cúspide de una manzana, el hoyuelo interno donde el tallo se encuentra con la fruta».

Mahadevan ya había desarrollado una teoría simple para explicar la forma y el crecimiento de las manzanas, pero el proyecto comenzó a dar frutos cuando los investigadores pudieron conectar observaciones de manzanas reales en diferentes etapas de crecimiento y experimentos de gel para imitar el crecimiento junto con la teoría y los cálculos.

El equipo de investigación comenzó recolectando manzanas en varias etapas de crecimiento de un huerto en el Peterhouse College de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido (el alma mater de otro famoso amante de las manzanas, Sir Isaac Newton).

Usando esas manzanas, el equipo trazó un mapa del crecimiento del hoyuelo, o cúspide, como lo llamaron, a lo largo del tiempo.

Para comprender la evolución de la forma de la manzana y la cúspide en particular, los investigadores recurrieron a una teoría matemática de larga data conocida como teoría de la singularidad. La teoría de la singularidad se utiliza para describir una serie de fenómenos diferentes, desde agujeros negros hasta ejemplos más mundanos, como los patrones de luz en el fondo de una piscina, la ruptura de gotas y la propagación de grietas.

«Lo emocionante de las singularidades es que son universales. La cúspide de la manzana no tiene nada en común con los patrones de luz en una piscina, o una gota que se desprende de una columna de agua, pero tiene la misma forma que ellos», dijo. Thomas Michaels, ex becario postdoctoral en SEAS y coautor principal del artículo, ahora en University College London. «El concepto de universalidad es muy profundo y puede ser muy útil porque conecta fenómenos singulares observados en sistemas físicos muy diferentes».

Partiendo de este marco teórico, los investigadores utilizaron la simulación numérica para comprender cómo el crecimiento diferencial entre la corteza de la fruta y el núcleo impulsa la formación de la cúspide. Luego, corroboraron las simulaciones con experimentos que imitaban el crecimiento de manzanas usando gel que se hinchaba con el tiempo. Los experimentos mostraron que diferentes tasas de crecimiento entre la mayor parte de la manzana y la región del tallo dieron como resultado la cúspide con forma de hoyuelo.

«Ser capaz de controlar y reproducir la morfogénesis de cúspides singulares en el laboratorio con juegos de herramientas de materiales simples fue particularmente emocionante», dijo Aditi Chakrabarti, becario postdoctoral en SEAS y coautor del artículo. «La variación de la geometría y composición de las imitaciones de gel mostró cómo se forman múltiples cúspides, como se ve en algunas manzanas y otras drupas, como melocotones, albaricoques, cerezas y ciruelas».

El equipo descubrió que la anatomía subyacente de la fruta junto con la inestabilidad mecánica pueden desempeñar funciones conjuntas al dar lugar a múltiples cúspides en las frutas.

«La morfogénesis, literalmente el origen de la forma, es una de las grandes preguntas de la biología», dijo Mahadevan. «La forma de la humilde manzana nos ha permitido sondear algunos aspectos físicos de una singularidad biológica. Por supuesto, ahora necesitamos comprender los mecanismos moleculares y celulares detrás de la formación de la cúspide, a medida que avanzamos lentamente hacia una teoría más amplia de la biología. forma «.

Esta investigación fue coautora de Sifan Yin, un estudiante visitante de la Universidad de Tsinghua y Eric Sun, un ex estudiante del laboratorio.



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