Biomécanica de la arista del género Stipa y su aplicación en la agricultura

Biomecánica de la arista del género Stipa y su aplicación en la agricultura.

Biomecánica de la arista del género Stipa y su aplicación en la agricultura

Cuando Darwin escribió “El origen de la especies por medio de la selección natural” para fundamentar el mecanismo de la selección natural utilizó la obra de Thomas Robert Malthus.


Thomas Robert Malthus, un clérigo y matemático, en su “Ensayo sobre el principio de la población”, publicado en 1798, escribió que la población humana crece, si nada lo impide, en progresión geométrica, duplicándose aproximadamente cada 25 años, mientras que la producción agrícola aumenta en progresión aritmética, y por tanto, mucho más lentamente. Esto implica que los alimentos ejercen una constante presión restrictiva sobre el crecimiento de la población.

Thomas Robert Malthus, un clérigo y matemático, en su “Ensayo sobre el principio de la población”, publicado en 1798, escribió que la población humana crece, si nada lo impide, en progresión geométrica, duplicándose aproximadamente cada 25 años, mientras que la producción agrícola aumenta en progresión aritmética, y por tanto, mucho más lentamente. Esto implica que los alimentos ejercen una constante presión restrictiva sobre el crecimiento de la población.


Malthus y su teoría quedaron relegados al olvido tras la Revolución Verde. Desde 1950 hasta el presente el mundo ha conocido el mayor crecimiento demográfico de la historia humana gracias a los avances en las técnicas de producción de cereales. Estas técnicas se basan en el uso de regadío, fertilizantes sintéticos y plaguicidas en monocultivos de variedades de alto rendimiento.

Malthus y su teoría quedaron relegados al olvido tras la Revolución Verde. Desde 1950 hasta el presente el mundo ha conocido el mayor crecimiento demográfico de la historia humana gracias a los avances en las técnicas de producción de cereales. Estas técnicas se basan en el uso de regadío, fertilizantes sintéticos y plaguicidas en monocultivos de variedades de alto rendimiento.


El problema radica en que el milagro de la Revolución Verde ha terminado. Entre el 2005 y el verano del 2008, los precios del trigo y del maíz se triplicaron, y el del arroz se multiplicó por cinco, lo que llevó a la pobreza a los mil millones de personas que en este planeta gastan entre el 50% y el 70% de sus ingresos en comida. Esta vez el alza de los precios no se debió a malas cosechas. En palabras sencillas puede decirse que durante buena parte de la última década el mundo ha consumido más comida que la que ha producido. Tras años de recurrir a las reservas almacenadas, el excedente de grano ha caído hasta la cifra más baja registrada hasta el momento.

El problema radica en que el milagro de la Revolución Verde ha terminado. Entre el 2005 y el verano del 2008, los precios del trigo y del maíz se triplicaron, y el del arroz se multiplicó por cinco, lo que llevó a la pobreza a los mil millones de personas que en este planeta gastan entre el 50% y el 70% de sus ingresos en comida. Esta vez el alza de los precios no se debió a malas cosechas. En palabras sencillas puede decirse que durante buena parte de la última década el mundo ha consumido más comida que la que ha producido. Tras años de recurrir a las reservas almacenadas, el excedente de grano ha caído hasta la cifra más baja registrada hasta el momento.


En este marco hemos desarrollado el siguiente trabajo de investigación que pasamos a exponer.

Llamamos labranza de conservación a la técnica que se basa en que los campos no se aran. La razón de no arar consiste en evitar romper la estructura del suelo que se produce cuando se realiza esta labor agrícola. El arado provoca la degradación del suelo favoreciendo la erosión y la pérdida de nutrientes.

En este marco hemos desarrollado el siguiente trabajo de investigación que pasamos a exponer.

Llamamos labranza de conservación a la técnica que se basa en que los campos no se aran. La razón de no arar consiste en evitar romper la estructura del suelo que se produce cuando se realiza esta labor agrícola. El arado provoca la degradación del suelo favoreciendo la erosión y la pérdida de nutrientes.


Para sembrar los nuevos cultivos se emplean sembradoras especiales que depositan las semillas en un surco abierto por un disco. Nos pareció interesante que al igual que la labranza de conservación evita el uso del arado, podíamos intentar el desarrollo de una semilla agrícola que al enterrarse sola, evitase la labor que se realiza con la sembradora. En la naturaleza encontramos diferentes especies de semillas que son capaces de enterrarse solas, pero nuestro estudio se centrará en las especies del género Stipa.

Para sembrar los nuevos cultivos se emplean sembradoras especiales que depositan las semillas en un surco abierto por un disco. Nos pareció interesante que al igual que la labranza de conservación evita el uso del arado, podíamos intentar el desarrollo de una semilla agrícola que al enterrarse sola, evitase la labor que se realiza con la sembradora. En la naturaleza encontramos diferentes especies de semillas que son capaces de enterrarse solas, pero nuestro estudio se centrará en las especies del género Stipa.


Las semillas del género Stipa se caracterizan por presentar en la parte superior un filamento alargado que recibe el nombre de arista. La arista está formada por dos partes: la columna, que tiene forma espiral y en su base porta la semilla; y la seta o pico, que es recta con la superficie lisa o pelosa. La seta forma un ángulo con la columna; de ahí se dice que la seta es geniculada. La forma y longitud de las aristas de las especies del género Stipa no es igual.


Aunque su estructura interna es similar, la columna presenta dos tipos de células: unas con paredes delgadas y otras con paredes gruesas. Además, la disposición no es homogénea, concentrándose las células de paredes delgadas en un área diferente a la de paredes gruesas. Esta disposición confiere al filamento la capacidad de moverse en función de los cambios de humedad. Cuando la arista se humedece, el agua se introduce en las paredes celulares, creando tensiones entre los dos grupos de células que permiten que la columna se disponga recta (A). Un proceso similar ocurre cuando se seca. En este caso, al perder agua las paredes celulares, unas células se acortan más que otras, lo que provoca que la columna se torsione adquiriendo la forma espiral(B). Este proceso, en cambio, no tiene lugar en la seta o pico de la arista.


La arista ha jugado diferentes papeles a lo largo de la evolución: las más primitivas se caracterizan por tener aristas cortas y ser la lema plumosa, lo que indicaría su posible papel en la dispersión anemocora de los frutos. Las especies más evolucionadas presentan aristas más largas. La longitud de la columna condiciona la fuerza que ésta puede ejercer, de tal forma que en las especies con una arista de longitud intermedia sólo pueden utilizarla para desprender el fruto de la espiga que lo porta o desplazarse rotando sobre la superficie del suelo. Sólo en las especies que presentan aristas muy largas, donde las columnas de las aristas ejercen fuerzas mayores, observamos el enterramiento de las semillas o tripanoespermia . La ventaja que confiere este tipo de comportamiento a las semillas es que evita la depredación por las hormigas , minimiza los daños en caso de que un incendio queme la superficie del terreno y sitúa a la semilla en unas condiciones óptimas para su germinación.


La hipótesis que planteamos a la hora de realizar nuestro trabajo fue que debía existir una relación entre el tamaño de la columna que porta la semilla y el peso de ésta.

Para comprobar esta hipótesis, utilizamos semillas de cinco especies del género Stipa que se caracterizaban por tener semillas de diferentes pesos y aristas de diferentes longitudes. Estas especies son: S. clausa (3), S. ibérica (1), S. capensis (5), S.tenaccisima (4) y S. gigantea (2). Para determinar el peso de la semillas utilizamos el trabajo de Sánchez et al. (2002), que establece la siguiente relación entre la longitud de una semilla de Gramínea y su peso: Peso = - 9,30 + 1,06 Ln (longitud de la semilla)

La fuerza que ejerce la columna se determinó utilizando una báscula de precisión .


Para expresar la relación empleamos un formato de línea de tendencia logarítmica que nos dio un valor de coeficiente de correlación de r2 = 0,9711.Con lo que llegamos a establecer la siguiente fórmula predictiva entre el peso en miligramos de una semilla de Stipa y la fuerza en Nw que tiene que ejercer su columna:

Fuerza = 0,441 Ln (peso) + 0,18025

Los números representan las diferentes especies

(1) S. capensis

(2) S. spartea

(3) S. clausa

(4) S. gigantea

(5) S. iberica


El siguiente paso de nuestro trabajo fue averiguar si la fuerza que desarrolla la arista para una semilla concreta excede las necesidades que la semilla tiene, en función de su peso, para ser enterrada. Para ello montamos un diseño experimental que permitía reproducir, en cuatro tubos de ensayo, las variaciones de humedad que tienen lugar en la naturaleza a lo largo del día y que permiten el enterramiento de la semilla. Utilizando semillas de Stipa gigantea que tienen una longitud de columna de 46 mm (4), las acortamos de forma progresiva. Así quedó una con 36 mm (3), otra con 26 mm (2) y finalmente otra con 6 mm (1), dejando una íntegra que nos serviría de control. Al realizar la experiencia resultó que, a excepción de la que había en el tubo control, ninguna se enterró.


Finalmente repetimos el experimento incorporando a las semillas de S. gigantea, Stipa clausa y Stipa tenaccisima el filamento de Stipa ibérica. El filamento de esta última desarrolla una fuerza superior a la que realiza el filamento del resto de las especies. Al realizar la experiencia pudimos ver que las semillas de los cuatro tubos se enterraron.


De esto deducimos que la relación entre el peso de la semilla y la fuerza que realiza la columna es muy estrecha, ya que en la naturaleza no existen semillas que porten aristas que desarrollen una fuerza innecesariamente superior para enterrarlas. Tal vez, la selección natural actué eliminando las columnas cortas de la aristas por su ineficacia y las largas por su coste en cuanto al metabolismo energético de la planta. Esto explicaría la diferente longitud de las aristas de plantas que viven en el mismo lugar, como S. gigantea y S. clausa en el monte de Costajan (Burgos), pero que portan semillas de diferente peso. Para finalizar, diremos que este principio deberemos tenerlo en cuenta cuando podamos aplicar la ingeniería genética a las semillas de interés agronómico.

Documents

Biomécanica de la arista del género Stipa y su aplicación en la agricultura