Risolto il mistero della pianta carnivora: le pareti “ammorbidite” fanno scattare la Venere acchiappamosche

La Venere acchiappamosche (Dionaea muscipula) è una delle piante carnivore più sorprendenti del mondo vegetale, appartenente alla famiglia delle Droseracee. Basta sfiorare due volte i sottili peli presenti all'interno della trappola perché scatti all'improvviso, richiudendosi in pochi decimi di secondo, intrappolando la sua preda. Un recente articolo pubblicato sulla rivista Science, propone un nuovo meccanismo per spiegare la chiusura rapidissima delle "fauci" di questa pianta carnivora. Il suo comportamento, infatti, da decenni incuriosisce incuriosisce botanici e fisiologi vegetali perché la pianta è priva di muscoli e di un sistema nervoso, eppure si muove a una velocità altissima. Per molto tempo l'ipotesi più accreditata ha chiamato in causa rapidi spostamenti d'acqua all'interno dei tessuti della foglia. Poco dopo lo stimolo, le pareti delle cellule sulla faccia esterna della trappola si ammorbidiscono di colpo, nel giro di pochi secondi. Questo improvviso cedimento fa piegare i lobi verso l'interno e porta la trappola sull'orlo di un'instabilità: superata una soglia, la forma a guscio della foglia rilascia tutta insieme l'energia elastica accumulata, trasformando un movimento lento in uno scatto fulmineo.

Le foglie della Dionaea sono diventate trappole per animali

Nella Venere acchiappamosche (Dionaea muscipula) l'evoluzione ha modificato le foglie in strutture capaci di catturare piccoli animali. Ogni trappola è composta da due metà (lobi) unite al centro. Sul lato interno di ogni lobo sono presenti dei peli sensibili: se vengono sfiorati due volte nel giro di poco tempo, all'interno della pianta si propagano impulsi elettrici che precedono la chiusura. Il movimento è estremamente rapido: nelle trappole integre studiate dai ricercatori, il passaggio dalla posizione aperta a quella chiusa avviene in circa 0,21 secondi. Da tempo si sapeva che la forma della trappola svolge un ruolo fondamentale. i lobi hanno una forma leggermente incurvata, una geometria capace di immagazzinare energia elastica e rilasciarla di colpo. Tuttavia restava da capire quale fosse il meccanismo capace di dare il via al movimento.

L'acqua si muove troppo lentamente

Per decenni gli studiosi hanno ipotizzato che la chiusura fosse causata da rapidi spostamenti di acqua da una parte all'altra della foglia. Per verificarlo, i ricercatori hanno misurato direttamente quanto velocemente l'acqua riesca a muoversi all'interno delle cellule della trappola. Usando una speciale sonda per la pressione cellulare, hanno determinato che l'acqua impiega circa 3,7 secondi ad attraversare singola grande cellula. Estendendo il calcolo all'intero spessore della foglia, il tempo necessario sale a un valore compreso tra 30 e 150 secondi.

Hanno eseguito un'altra prova sull'intero tessuto. Hanno immerso alcuni frammenti della trappola in soluzioni con diversa concentrazione di sostanze disciolte. A causa della differenza di concentrazione tra la soluzione e i tessuti della foglia, l'acqua è entrata nelle cellule per osmosi, facendole gonfiare e rigonfiando anche il tessuto. Osservando quanto tempo impiegavano questi frammenti a piegarsi per il rigonfiamento dopo il cambiamento di soluzione, hanno calcolato che l'acqua attraversa il tessuto nell'arco di circa 38 secondi.

Ma sono tempi che non coincidono con la rapidità del movimento della trappola, che avviene in pochi decimi di secondo! La differenza è troppo ampia per attribuire allo spostamento dell'acqua il ruolo di motore principale della chiusura. Bisognava quindi cercare altrove la causa dello scatto.

L’improvviso ammorbidimento delle pareti cellulari dell'epidermide

L'attenzione dei ricercatori si è spostata verso un'altra struttura delle cellule vegetali: la parete cellulare. Ogni cellula delle piante è circondata da questa parete esterna rigida e robusta che le fornisce sostegno, ne limita le deformazioni: è in gran parte questa parete a determinare la resistenza e il comportamento meccanico dei tessuti vegetali. Le cellule vegetali più esterne compongono l'epidermide, un tessuto che riveste la superficie della trappola. Avendo due facce, ogni lobo della Venere acchiappamosche ha un'epidermide interna e una esterna. 

Per misurare quanto fossero rigido il tessuto, i ricercatori hanno usato una tecnica chiamata nanoindentazione: in pratica si appoggia una punta microscopica sulla superficie della cellula (o del tessuto nel nostro caso) e la si preme leggermente verso l'interno, misurando la forza necessaria per deformarla. Più forza serve, più la cellula è rigida.

Nello studio, dopo l'attivazione della trappola, le cellule dell'epidermide interna non mostravano cambiamenti significativi. Quelle dell'epidermide esterna, invece, diventavano molto più morbide: la loro rigidità media scendeva fino a circa il 69% del valore iniziale, mentre quella dello strato interno restava praticamente invariata, attorno al 98%.

La parete si ammorbidisce senza perdita di pressione interna

Da dove deriva questa diminuzione di rigidità? La prima ipotesi coinvolge la pressione di turgore: l'acqua all'interno delle cellule vegetali le mantiene gonfie e in tensione, ed è la stessa forza che tiene rigide foglie e steli. La riduzione della rigidità osservata negli esperimenti avrebbe potuto dipendere semplicemente da una perdita di questa pressione. Per verificare questa teoria, gli autori hanno studiato la forma delle cellule prima e dopo l'attivazione della trappola. Hanno osservato che, dopo l'attivazione, la superficie esterna delle cellule diventava circa l'8% più sporgente. Se fosse calata la pressione interna, la superficie si sarebbe gonfiata di meno; il fatto che sporga di più è compatibile solo con un ammorbidimento della parete cellulare, non con una perdita di pressione interna. In altre parole: la parete si stava "rammollendo".

Simulazioni numeriche hanno permesso di stimare alcuni parametri che descrivono il comportamento meccanico dei tessuti, come il modulo di Young, che misura la rigidità di un materiale: più è alto, più il materiale è rigido e difficile da deformare. Dopo l'attivazione della trappola, il modulo di Young della parete delle cellule dell'epidermide esterna calava di circa il 40%, segno di pareti sensibilmente meno rigide: più molli, per l'appunto.

Con la parete esterna ammorbidita ma la pressione interna rimasta la stessa, le cellule della faccia esterna si dilatano più facilmente di quelle interne, rimaste rigide. Visto che le sue facce sono attaccate, quando le cellule dell'epidermide esterna si allungano generano una deformazione dell'intera struttura, sufficiente a far piegare la trappola verso l'interno, intrappolando la sua preda.

Separare il motore dal "clic" della trappola

Per confermarlo, gli autori hanno cercato di distinguere il movimento dei lobi dallo scatto finale di chiusura. Hanno tagliato le trappole in sottili strisce, eliminando la loro forma incurvata che fa da molla. In queste condizioni la pianta continuava a reagire agli stimoli, ma il movimento risultava molto più lento. La chiusura non richiedeva più pochi decimi di secondo, bensì circa 3 secondi. Un secondo esperimento, effettuato bloccando la trappola aperta e misurando le forze sviluppate durante l'attivazione, ha fornito un risultato simile: il processo interno responsabile del movimento di chiusura dura circa 3-4 secondi.

Secondo gli autori, questa è la conferma che lo scatto fulmineo osservato normalmente è il risultato di due fasi dello stesso processo: un cambiamento relativamente lento che avviene nei tessuti e una successiva liberazione improvvisa dell'energia elastica accumulata.

Il gruppo di ricerca ha sviluppato, inoltre, una tecnica che permette di seguire l'evoluzione della rigidità cellulare mentre la trappola viene attivata. I dati raccolti indicano che l'ammorbidimento della parete compare quasi subito, nell'arco di pochi secondi, e precede gran parte del movimento della trappola. Questa tempistica coincide quasi perfettamente con quella del movimento attivo osservato negli altri esperimenti. Secondo gli autori, si tratta di una forte indicazione del fatto che l'ammorbidimento delle pareti cellulari rappresenti il vero motore della chiusura.

non perderti questo articolo

Tre esempi assurdi di inganni delle piante

Di Nicole Pillepich