Leonardo Da Vinci y la ingeniería vegetal

Tanto la arquitectura como la ingeniería se han inspirado tradicionalmente en las formas de los árboles para las construcciones humanas. Los árboles son los organismos multicelulares más grandes que existen en la tierra. Su relevancia es tal que, desde que comenzaron a poblar los bosques hace casi 400 millones de años, han ido esculpiendo el ambiente del planeta tierra, y lo siguen haciendo. A pesar de su enorme importancia, los árboles son seres muy enigmáticos, y esto se debe a su formidable complejidad, así como a la diversidad de formas que existen. Pero lo que sabemos de ellos integra, de un modo fascinante, disciplinas que van desde la biología hasta las matemáticas, la física o la hidrodinámica.

La morfología tan regular de los árboles llevó a que Leonardo da Vinci, hace 500 años, en su búsqueda continua de las proporciones del mundo natural, observase que las ramificaciones seguían un patrón matemático determinado, y predijo que se dividían a modo de fractal: eran divisiones del tallo principal, de modo que, si las pudiésemos unir todas, el tronco se continuaría en una gran columna. Estas observaciones fueron recogidas en los cuadernos de Leonardo, pero pasaron relativamente desapercibidas para los biólogos a lo largo de los siglos. Sin embargo, se recuperaron hace unos cuantos años por los fisiólogos de plantas para poder entender si esas leyes que regían la ramificación jugaban un papel en su principal función, que es el transporte de agua desde el suelo hasta las hojas.

Los tallos se encargan del transporte de agua hasta las hojas a distancias que pueden llegar, en los árboles más altos como las secuoyas, hasta 100 metros. Estas enormes distancias cuestionaron cómo era posible que el agua llegase tan alto, desafiando las leyes de la física y la termodinámica. No fue hasta principios del S. XX cuando se concluyó que el agua ascendía por succión, ya que el agua, al no comprimirse ni dilatarse, forma una columna continua al ser succionada por las hojas. Por tanto, se requería que existiese un tubo continuo que llevase el agua desde las raíces a las hojas. Sin embargo, todos los cálculos teóricos que asumían un tubo continuo, llevaban a que las presiones necesarias para elevar el agua serían gigantescas (mucho menores que el vacío), e inviables para cualquier sistema biológico. La solución del enigma estaba en la propia estructura de los tubos, cuyo diámetro no es, en la mayoría de los casos, mayor que el de un pelo, y, además, poseen paredes muy robustas compuestas por un material muy resistente, la lignina. De este modo, a lo largo de millones de años de evolución, estos microtubos han desarrollado la capacidad de soportar enormes presiones negativas, comparables (en sentido inverso) al neumático de un camión, ¡y sin abombarse hacia dentro! Esto es así incluso para árboles enormes como las secuoyas. Millones de microtubos se unen entre sí para formar lo que conocemos como madera, que, a pesar de su aspecto compacto, es en realidad un material poroso por el que circula una gran cantidad de agua, y cuyo nombre técnico es el xilema. Un ejemplo de la tensión a la que está sometida el xilema relleno de agua se observa cuando un rayo cae sobre un árbol. Esa energía inmediata evapora súbitamente el agua del xilema y, al expandirse el vapor, provoca una explosión que parte el árbol en dos.

En realidad, el xilema se conoce desde hace siglos, ya que visualmente compone no solo la madera, sino también las venas de las hojas. Sin embargo, alrededor del xilema de los árboles, existe una capa casi imperceptible entre la madera y la corteza que es esencial para su crecimiento y supervivencia. Este tejido, hermano del xilema, se descubrió hace unos 200 años, y se conoce como floema. A pesar de no ocupar mucho espacio, las unidades que componen el floema son también tubos microscópicos continuos, con paredes muy finas y un diámetro veinte veces menor que el de un pelo. Aunque se está comenzando a conocer en detalle el funcionamiento del floema en los árboles, los últimos descubrimientos son asombrosos.

El floema transporta los productos de la fotosíntesis (fundamentalmente azúcares) desde las hojas a todas las partes en crecimiento de los árboles, como por ejemplo las raíces. Discurre en paralelo al xilema, y además funciona de modo inverso, es decir, utiliza presiones positivas, de un modo análogo al sistema circulatorio animal, pero con la diferencia esencial de que, en los animales, es una bomba (el corazón) la que impulsa el transporte del fluido a través de canales, mientras que el floema utiliza la física. ¿Cómo? En las hojas, el xilema y el floema tienen terminaciones unidas. El agua del xilema difunde hacia los tubos del floema por ósmosis: al generarse una concentración de azúcares alta dentro del floema, el agua tiende a entrar por difusión, lo que crea una especie de almíbar que lleva la energía necesaria para el crecimiento a todas las partes de la planta. Recientemente surgió la pregunta de cómo era posible que esas presiones fueran capaces de transportar este almíbar a largas distancias. Nuevamente, la respuesta se encontró en la arquitectura de este tejido. El transporte se facilita hacia la base del tronco gracias al incremento gradual del tamaño de los tubos que componen este eje continuo, y posibilitan que las presiones generadas en las hojas sean biológicamente razonables, al contrario de lo que ocurriría si el tubo continuo no cambiase de diámetro. Por tanto, solamente ajustando las dimensiones de los tubos en cada rama, las plantas son capaces de transportar los azúcares a grandes distancias, y así alcanzar crecimientos en altura increíbles.

En el IHSM ´La Mayora´ en Málaga, realizamos mediciones muy precisas de los tubos que componen tanto el xilema como el floema en árboles frutales, lo que nos permite entender mejor cómo utilizan el agua frutales subtropicales de gran importancia en la agricultura del sur de España, como por ejemplo el chirimoyo o el mango. Además, estudiamos cómo la duplicación natural del número de cromosomas en algunas de estas plantas -dando lugar a individuos poliploides-, modifica el tamaño de estos conductos vasculares, con enormes consecuencias en su capacidad de uso del agua, lo que repercute en la optimización del agua de riego. Pero más sorprendente es el hecho de que las ramificaciones de estos tubos dentro de las ramas, ¡obedecen las leyes descritas por Leonardo da Vinci hace 500 años!

Mira el manzano de tu jardín, el roble que hay en los bosques de tu pueblo… Admíralos como lo hizo hace siglos Leonardo Da Vinci. Admira cada árbol porque estás ante una magnífica obra de ingeniería vegetal.

Tanto la arquitectura como la ingeniería se han inspirado tradicionalmente en las formas de los árboles para las construcciones humanas. Los árboles son los organismos multicelulares más grandes que existen en la tierra. Su relevancia es tal que, desde que comenzaron a poblar los bosques hace casi 400 millones de años, han ido esculpiendo el ambiente del planeta tierra, y lo siguen haciendo. A pesar de su enorme importancia, los árboles son seres muy enigmáticos, y esto se debe a su formidable complejidad, así como a la diversidad de formas que existen. Pero lo que sabemos de ellos integra, de un modo fascinante, disciplinas que van desde la biología hasta las matemáticas, la física o la hidrodinámica.

La morfología tan regular de los árboles llevó a que Leonardo da Vinci, hace 500 años, en su búsqueda continua de las proporciones del mundo natural, observase que las ramificaciones seguían un patrón matemático determinado, y predijo que se dividían a modo de fractal: eran divisiones del tallo principal, de modo que, si las pudiésemos unir todas, el tronco se continuaría en una gran columna. Estas observaciones fueron recogidas en los cuadernos de Leonardo, pero pasaron relativamente desapercibidas para los biólogos a lo largo de los siglos. Sin embargo, se recuperaron hace unos cuantos años por los fisiólogos de plantas para poder entender si esas leyes que regían la ramificación jugaban un papel en su principal función, que es el transporte de agua desde el suelo hasta las hojas.