Un nuevo estudio revela el secreto explosivo del pepino del diablo, que expulsa sus semillas con un chorro de fluido a presión que alcanza hasta 10 metros

Un equipo liderado por la Universidad de Oxford ha resuelto un misterio que ha intrigado a los científicos durante siglos: ¿cómo expulsa líquido el pepino del diablo? Los resultados, obtenidos mediante una combinación de experimentos, videografía de alta velocidad, análisis de imágenes y modelos matemáticos avanzados, se publican hoy (25 de noviembre) en The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Pepino del diablo, chombrillo amargo o elaterio (Elaterio de ecballiodel griego «ekballein», que significa lanzar) recibe su nombre del método balístico que utiliza la especie para dispersar sus semillas. Cuando están maduros, 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 caigan 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 y cómo afectaba a su éxito reproductivo. En el nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Oxford y la Universidad de Manchester llevaron a cabo varios experimentos con especímenes de Ecbalio cultivado en el Jardín Botánico de la Universidad de Oxford.

El fruto del pepinillo del diablo Ecballium elaterium. Crédito: Chris Thorogood

Entre otras cosas, filmaron la dispersión de semillas con una cámara de alta velocidad (capturando hasta 8.600 fotogramas por segundo), midieron el volumen de la fruta y el tallo antes y después de la dispersión, realizaron pruebas de indentación y tomografías computarizadas de un pepino intacto y monitorearon la fruta en el tiempo. -Fotografías secuenciales en los días previos al lanzamiento. Luego 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 aclaró los componentes clave de la estrategia de dispersión de la planta:

• 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 fluidos: En los días previos a la dispersión, parte de este fluido se redistribuye desde el fruto hasta el tallo, haciéndolo más largo, grueso y rígido. Esto hace que el fruto pase de estar casi vertical a un ángulo cercano a los 45°, elemento clave necesario para una exitosa liberación de semillas.
• Un retroceso rápido: en los primeros cientos de microsegundos de expulsión, la punta del tallo se aleja de la fruta, lo que hace que gire en la dirección opuesta.
• 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 siguientes semillas, la velocidad de salida disminuye (porque disminuye la presión de la cápsula del fruto, ahora vacía) mientras que el ángulo de lanzamiento aumenta (debido a la rotación del fruto). Esto hace que las semillas iniciales alcancen la mayor distancia y las semillas posteriores caigan más cerca. Como se distribuyen múltiples frutos alrededor del centro de la planta, el resultado general es una distribución amplia y casi uniforme de semillas que cubren un área 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 de líquido desde el fruto hasta el tallo es única en el reino vegetal.

Elaterio de ecballio. Crédito: Derek Moulton

Utilizando el modelo matemático, los investigadores exploraron las consecuencias de alterar artificialmente diferentes parámetros. Esto reveló que el método de proyección de semillas de pepino del diablo se ha perfeccionado para garantizar una dispersión casi óptima y el éxito de las plantas a lo largo de generaciones.

Por ejemplo, al hacer el tallo más grueso y rígido, las semillas se liberaban casi horizontalmente, ya que el fruto giraba menos durante la descarga. Esto haría que las semillas se esparcieran en un área más estrecha y tuvieran menos probabilidades de sobrevivir.

Mientras tanto, reducir la cantidad de líquido redistribuido desde el fruto al tallo resultó en un fruto sobrepresurizado, lo que provocó que las semillas fueran expulsadas a mayor velocidad pero con un ángulo de lanzamiento casi vertical. En consecuencia, las semillas no se dispersarían lo suficientemente lejos de la planta madre y, nuevamente, pocas sobrevivirían.

Su autor, el Dr. Chris Thorogood (director adjunto y jefe de ciencia del Jardín Botánico de Oxford), dijo: «Durante siglos la gente se ha preguntado cómo y por qué esta extraordinaria planta envía sus semillas al mundo de una manera tan violenta. . Ahora, como equipo de biólogos y matemáticos, finalmente hemos comenzado a desentrañar este gran enigma botánico.

Fotograma que muestra el chorro expulsado por un pepinillo del diablo, que transporta sus semillas a distancias de hasta 10 m de la planta madre. Crédito: Dominic Vella

En palabras del Dr. Derek Moulton (Profesor de Matemáticas Aplicadas del Instituto de Matemáticas de Oxford), coautor del estudio: «Cuando inspeccionamos por primera vez esta planta en el Jardín Botánico, la liberación de las semillas fue tan rápida que no pudimos Estoy seguro de que realmente hubiera ocurrido. «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, especialmente en sistemas de administración de fármacos bajo demanda, por ejemplo microcápsulas que expulsan nanopartículas «donde el control preciso de la liberación rápida y direccional es crucial».

Elaterio de ecballio 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, a menudo se la considera una maleza. La planta fue descrita por los antiguos griegos y romanos: el naturalista Plinio el Viejo (23/24 – 79 d. C.) dijo: «A menos que, para prepararlo, se corte el pepino antes de que esté maduro, la semilla brota a borbotones, poniendo en peligro incluso los ojos.

REFERENCIA