Hagop Atamian / U.C. Davis

Científicos estadounidenses han descubierto qué mecanismos son responsables de la orientación del girasol oleaginoso ( Helianthus annuus) sobre el Sol y qué significado evolutivo tiene. Resultó que la capacidad de girar bajo la influencia de la luz solar (heliotropismo) está asociada con el trabajo coordinado de los mecanismos sensibles a la luz y los ritmos circadianos de la planta. Los resultados del trabajo fueron publicados en la revista Ciencia.

Los girasoles jóvenes durante el día giran siguiendo al Sol de este a oeste, y por la noche vuelven a encontrarse con la luz del sol por la mañana. Las plantas en flor detienen este movimiento y siempre miran hacia el este. Para comprender por qué sucede esto, los empleados de las Universidades de California y Virginia realizaron una serie de experimentos en el campo y en interiores.

En la primera etapa de su trabajo, arreglaron artificialmente algunos de los girasoles experimentales, evitando que siguieran al Sol. La biomasa total y el área foliar de tales plantas resultaron ser en promedio un 10 por ciento menos que las plantas cultivadas sin restricciones. Por lo tanto, volverse detrás del Sol es necesario para que las plantas jóvenes crezcan más intensamente.

El giro inverso hacia el este durante la noche indica que los mecanismos de regulación de los ritmos circadianos están involucrados en este proceso. Los científicos confirmaron esto al traer girasoles del campo a una habitación con iluminación constante (las plantas continuaron girando durante varios días más) e imponerles un ciclo de iluminación artificial de 30 horas (el ritmo de rotación de las plantas se desvió, volviendo a la normalidad con un ciclo de 24 horas).

El girasol no tiene almohadillas foliares, órganos motores especiales que proporcionan heliotropismo en algunas especies de plantas. Teniendo en cuenta que la amplitud de los movimientos del girasol disminuye a medida que crece hasta la ausencia total de plantas maduras, los científicos sugirieron que las rotaciones del girasol detrás del Sol proporcionan un alargamiento desigual del tallo durante el día. Los experimentos con plantas que carecen de la hormona de crecimiento giberelina, así como el estudio de la actividad génica en los lados occidental y oriental del tallo, confirmaron esta hipótesis. Además, resultó que el crecimiento del lado occidental del tallo, que es más intenso por la noche, ocurre “por defecto”, y el crecimiento del lado este, que es necesario durante el día, está regulado por mecanismos fotosensibles ( en particular, la redistribución de la hormona auxina bajo la acción de las fototropinas).

Cambios en la temperatura de la flor durante el día.

Evan Brown / Universidad de Virginia

Cuando un girasol deja de crecer y florece, los mecanismos circadianos y de detección de luz pierden su importancia, dejando la planta orientada hacia el este. Girando algunos de los girasoles experimentales hacia el oeste, los científicos estaban convencidos de que tales plantas, a diferencia de las giradas hacia el este, prácticamente no están interesadas en polinizar insectos. El registro de temperatura las 24 horas del día mostró que las flores orientadas hacia el este se calientan mucho mejor y más rápido, atrayendo insectos. Cuando las flores orientadas al oeste se calentaron artificialmente, los polinizadores volvieron a interesarse por ellas.

Así, los giros de los jóvenes girasoles detrás del Sol están garantizados por el trabajo conjunto de los mecanismos circadianos y sensibles a la luz, que sirven para un aumento intensivo de la biomasa. La orientación de las plantas adultas hacia el este es necesaria para su calentamiento, lo que atrae insectos polinizadores.

Una serie de experimentos demostraron que el movimiento de un girasol corresponde a un ritmo circadiano de 24 horas. Los científicos intentaron "engañar" a las plantas cambiando artificialmente la duración del movimiento de la fuente de luz hasta 30 horas. Sin embargo, en este caso, los girasoles se movieron de manera desigual, lo que afectó su crecimiento, ganancia de biomasa y rendimiento.

Se sabe que las inflorescencias del girasol giran tras el sol durante el día, y por la noche vuelven a cambiar de posición para “mirar” hacia el este al amanecer. Después de que los girasoles se marchitan, dejan de girar hacia el sol.

Los científicos explican que el movimiento de la inflorescencia del girasol ocurre debido al crecimiento desigual de la planta. Un lado del tallo crece más rápido que el otro, lo que hace que la inflorescencia gire.

En otro experimento, los científicos limitaron artificialmente el movimiento de las plantas. Ataron algunos de los capullos para que no pudieran girar, o dieron la vuelta a las macetas para que las plantas no dieran la cara al sol por la mañana. Resultó que las hojas de ambos grupos de girasoles eran un 10 % más pequeñas que las de las plantas que seguían al sol.

Además de acumular más biomasa, los girasoles han ganado otra ventaja: las plantas que dan al sol son mucho más atractivas para los insectos. Cinco veces más abejas volaron hacia las flores que miran hacia el este por la mañana.

“Las abejas se vuelven locas por las plantas orientadas al este mientras ignoran las flores orientadas al oeste”, dice Stacey Harmer de la Universidad de California, Davis. “En el lado soleado, las plantas se calientan más rápido y las flores cálidas atraen a más polinizadores”.

Anna Joteeva

Secuencia de Fibonacci descubierta en flor de girasol

Según los biólogos, las flores grandes son una de las demostraciones más obvias y hermosas de la secuencia de Fibonacci. Esta secuencia numérica es una serie de números naturales, donde cada número posterior es igual a la suma de los dos anteriores. La secuencia podría verse así: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144…

Los investigadores encontraron que las semillas están dispuestas en dos filas de espirales, una de las cuales va en el sentido de las agujas del reloj y la otra en el sentido contrario. Según los científicos, en la mayoría de las inflorescencias de girasol, puede encontrar una combinación de números incluidos en la secuencia de Fibonacci, por ejemplo, 34 y 55 o 55 y 89. Y si tiene un girasol muy grande frente a usted, puede contar 89 y 144 semillas.

En 2012, el Museo de Ciencia e Industria de Manchester (Reino Unido), en honor al centenario del nacimiento del matemático, lanzó un proyecto inusual: Turing Sunflowers, invitando a todos a cultivar un girasol y traer una flor al museo (o enviar una foto de la planta).

Este proyecto dio como resultado la colección de 657 fotografías, cuyo procesamiento y análisis llevó casi cuatro años. Dado que las semillas suelen ser claramente visibles en la inflorescencia de un girasol, los científicos pudieron contar su número y confirmar que el patrón de Fibonacci está realmente trazado en las flores.

Los biólogos aún no pueden entender el mecanismo con el que se asocia el "compromiso" de ciertas plantas con las secuencias numéricas. El problema es que las plantas no siempre muestran este patrón. En el caso de las flores de girasol estudiadas, se encontraron patrones de semillas correspondientes a la secuencia de Fibonacci en aproximadamente el 80% de las plantas. Las inflorescencias restantes mostraron patrones más complejos.

Anna Joteeva

Referencia

El matemático británico Alan Turing se interesó por tales regularidades en la primera mitad del siglo pasado. El científico se hizo famoso por desarrollar un método durante la Segunda Guerra Mundial que ayudó a descifrar el código de la máquina de cifrado alemana Enigma. Además, Turing tuvo un impacto significativo en el desarrollo de la informática y la inteligencia artificial. Después de la guerra, el científico se interesó en los patrones matemáticos de las plantas.

Hace mucho tiempo, la gente notó que las flores jóvenes de girasol durante el día giran después del sol, y por la noche regresan a su posición original para encontrarse nuevamente en el este por la mañana. Pero hasta ahora, los científicos no pudieron resolver este enigma: ¿qué hace que las plantas realicen su ritual diario y por qué la "adoración" de la luminaria se detiene con el tiempo?

En busca de una respuesta, Stacey Harmer de la Universidad de California en Davis y sus colegas realizaron una serie de experimentos.

En la primera etapa, se cambiaron las condiciones para que los girasoles crecieran en su entorno natural. Los científicos "inmovilizaron" un grupo para que las plantas no pudieran girar en absoluto, y el otro se fijó de tal manera que los girasoles giraran hacia el oeste al amanecer. Cuando las flores crecieron, resultó que las hojas en ambos grupos eran un 10% más pequeñas que en las plantas "libres". Esto confirmó la corazonada de que la exposición al sol es necesaria para que los girasoles crezcan de manera más eficiente.

Luego, los científicos decidieron verificar qué causó los "bailes" rítmicos de los girasoles: el reloj interno o las condiciones ambientales.

Trasladaron las plantas que crecían al aire libre a una habitación con iluminación cenital constante y descubrieron que los girasoles seguían girando de un lado a otro durante varios días, tal como lo hacían antes.

Luego, los científicos colocaron las plantas en una habitación especial con una serie de lámparas que se encendían a su vez, simulando el movimiento del sol. Cuando los investigadores programaron la iluminación artificial en un ciclo de "día" y "noche" de treinta horas, las plantas giraron de un lado a otro sin un horario regular. Pero cuando el régimen de luz volvió a la normalidad, los girasoles siguieron estrictamente el "sol" artificial, lo que demuestra que los ritmos circadianos internos juegan un papel importante en el movimiento de la flor.

Pero, sobre todo, a los biólogos les interesaba la cuestión de por qué, después de la floración, los girasoles dejan de girar de un lado a otro y se congelan, "mirando" hacia el amanecer. Luego, el equipo de Harmer giró parte de las plantas hacia el oeste y luego contó la cantidad de abejas y otros polinizadores que se posaron en las flores frente a diferentes partes del mundo.

Resultó que en las horas de la mañana, los insectos visitaron las flores que miraban hacia el este cinco veces más que las que giraban en la dirección opuesta.

"Puedes ver que las abejas se vuelven locas por las flores orientadas al este y apenas prestan atención a las plantas orientadas al oeste", señala Stacey Harmer.

Investigaciones anteriores han demostrado que los polinizadores prefieren las flores más cálidas, por lo que los girasoles que reciben una mayor dosis de rayos matutinos son más populares.

"Siempre me ha sorprendido lo complejas que son las plantas”, continúa Harmer. "Son muy hábiles para adaptarse a su entorno".

Los resultados del estudio, publicados en Science, plantean preguntas más complejas. Por ejemplo, ¿cómo dicen las plantas la hora y cómo encuentran la dirección correcta cuando giran en la oscuridad hacia donde saldrá el sol?

Pero según los expertos, el hecho mismo de que los girasoles tengan un reloj interno y se guíen por sus propios ritmos es el "Santo Grial" para estudiar su complejo comportamiento. Y, como se destaca en un comunicado de prensa de la universidad, este es el primer ejemplo de sincronización de tiempo en plantas que viven en el entorno natural, lo que tiene un impacto directo en la eficiencia del crecimiento.

Para empezar, vale la pena aclarar una cosa muy importante. La afirmación de que los girasoles siempre siguen al Sol es cierta solo si estamos hablando de flores de girasol jóvenes, aún no abiertas. Contrariamente a la creencia popular, las flores maduras del girasol no siguen al Sol y generalmente están hacia el este.
Los capullos de girasol sin abrir realmente siguen al Sol, cambiando su posición durante el día. Este fenómeno se llama heliotropismo (ver párrafo al final del artículo).

La observación del sol es esencial para que los girasoles crezcan de manera más eficiente. Los científicos arreglaron las plantas, impidiendo que giraran o, por el contrario, rotaron las macetas, interrumpiendo el curso natural del movimiento. En ambos casos, las hojas de las plantas resultaron ser un 10% más pequeñas que las de los vecinos, que tranquilamente giraban tras el sol.

Además, los expertos colocaron varios puntos en el tallo con un marcador para estudiar cómo se mueve el girasol detrás del Sol. Los científicos monitorearon los puntos con una cámara de video. Si la distancia entre ellos cambió, esto significa que el tallo de la flor creció donde se dibujaron estos puntos.
Cuando las plantas giraron para seguir al Sol durante el día, el lado este del tallo creció más rápido que el lado oeste, lo que provocó que la flor se volviera hacia el Sol. Y por la noche, el lado occidental creció más rápido y el tallo giró hacia el otro lado.

El secreto del movimiento del girasol radica en el crecimiento desigual de su tallo. Según los científicos, la luz solar directa mata las hormonas de crecimiento contenidas en el tallo, que se llaman auxinas. La distribución desigual de estas hormonas a lo largo del tallo hace que el girasol crezca más lento en el lado soleado y más rápido en el lado sombreado, inclinando así todo el tallo hacia el sol. Con un cambio en la posición del sol, también cambia la distribución de auxinas a lo largo del tallo, lo que a su vez conduce a un cambio en la pendiente de la flor.

Así, el movimiento de la planta se lleva a cabo con la ayuda de células motoras especiales involucradas en el mecanismo de crecimiento y ubicadas en la base flexible de la flor. Resultó que este movimiento dependía del reloj interno de la planta: los ritmos circadianos que controlan varios procesos vitales asociados con el inicio del día, la noche, la mañana y la tarde. El "reloj" controla la tasa de crecimiento y hace que un lado del tallo crezca más rápido que el otro. Debido a esto, el girasol gira gradualmente detrás del Sol.

A medida que el girasol madura y la flor se abre, el crecimiento general se ralentiza y las plantas dejan de moverse durante el día, permaneciendo orientadas hacia el este. El hecho es que la planta reacciona con más fuerza a la luz solar a primera hora de la mañana que a la tarde, por lo que deja de moverse gradualmente hacia el oeste durante el día.

¿Cómo se mueven los girasoles por la noche?
Como todos sabemos, los capullos de girasol sin abrir se encuentran con el sol en el este por la mañana y lo despiden en el oeste por la noche. Aquí sería posible terminar nuestro artículo, si no fuera por un "pero": ¡por la mañana, los capullos de girasol se dirigen nuevamente hacia el este! Surge una pregunta lógica: “¿cómo?” ¿Por qué el girasol sigue moviéndose por la noche, sin ninguna influencia del sol? Además, por la noche, los movimientos de los girasoles ocurren a una velocidad mucho mayor que durante el día.
Para nuestra consternación, los científicos aún no pueden responder a esta pregunta con certeza. Según una teoría, por la noche las células de un girasol liberan la energía que se ha acumulado cuando se inclina el tallo, "haciendo brotar" la flor hacia atrás. Según otra teoría, el movimiento nocturno del tallo no depende del sol y se debe al “reloj interno” del propio girasol.
¿Por qué un girasol adulto siempre mira hacia el este?
Con el crecimiento del tallo y el peso de la flor, la redistribución de las hormonas de crecimiento tiene un efecto cada vez menos notorio. Eventualmente, la flor de girasol se vuelve demasiado pesada para moverla. Por lo tanto, después de madurar, el girasol ya no sigue al Sol y siempre apunta hacia el este. Pero ¿por qué este?
Los investigadores tampoco tienen una respuesta exacta a esta pregunta. Algunos eruditos argumentan que una noche la flor "brota" hacia el este y ya no puede repetir su viaje hacia el oeste.
Sea como fuere, los científicos continúan estudiando el girasol, que, inesperadamente para muchos, resultó ser algo mucho más complejo que una simple flor que sigue constantemente al Sol.

heliotropismo de las flores
Las flores de heliotropo siguen el movimiento del Sol por el cielo durante el día, de este a oeste. Por la noche, las flores pueden orientarse al azar, pero al amanecer giran hacia el este, hacia el sol naciente. El movimiento se lleva a cabo con la ayuda de células motoras especiales ubicadas en la base flexible de la flor. Estas células son bombas de iones que entregan iones de potasio a los tejidos cercanos, lo que cambia su turgencia. El segmento se dobla debido al alargamiento de las células motoras ubicadas en el lado de la sombra (debido al aumento de la presión interna hidrostática). El heliotropismo es la respuesta de la planta a la luz azul. Una de las flores más heliotrópicas es el girasol, que sigue al sol la mayoría de las otras flores, especialmente a una edad temprana, hasta que su cabeza crece hasta un tamaño grande y se vuelve demasiado pesada para moverla (momento en el que todas sus fuerzas se concentran en la maduración de las semillas). En mayor o menor medida, casi todas las flores son heliotrópicas.
Algunas plantas que siguen al sol no son heliotropos puros: sus movimientos circadianos son iniciados por la luz solar y, a menudo, continúan durante algún tiempo después de que ha desaparecido.
Existe la idea errónea generalizada de que los girasoles se "estiran" hacia el sol (heliotropismo). De hecho, las flores de girasol maduras suelen apuntar hacia el este y no se mueven. Sin embargo, los botones de girasol (antes de la floración) tienen heliotropismo. Cambian su orientación de este a oeste durante el día.

Los científicos han cultivado varios girasoles, algunos de ellos plantados en el laboratorio, donde la luz estaba constantemente encendida, y el otro, en un campo normal, informa Science. Los investigadores colocaron algunas plantas en tinas para que no pudieran girar para seguir al Sol.

Cómo el girasol gira hacia el sol.

Los especialistas colocaron varios puntos en el tallo con un marcador para estudiar cómo se mueve el girasol detrás del Sol. Los científicos monitorearon los puntos con una cámara de video. Si la distancia entre ellos cambió, esto significa que el tallo de la flor creció donde se dibujaron estos puntos.

Resultó que el movimiento de una planta dependía de su reloj interno: un conjunto de proteínas y genes sensibles a la luz "conectados" a ellos que controlan varios procesos de vida asociados con el inicio del día, la noche, la mañana y la tarde. El "reloj" controla la tasa de crecimiento y hace que un lado del tallo crezca más rápido que el otro. Debido a esto, el girasol gira gradualmente detrás del Sol.

En el laboratorio, donde se cambió artificialmente la duración del día, los girasoles perdieron la capacidad de orientarse hacia el Sol, incluso cuando la fuente de luz artificial se movía como una estrella real. Esto afectó negativamente la tasa de crecimiento de las flores, el reclutamiento de biomasa y el desarrollo de semillas.

Debido al hecho de que el girasol se mueve detrás del Sol, la flor se calienta más rápido y atrae a más polinizadores, señalaron los científicos.

Agregamos que la capacidad de las plantas para tomar una determinada posición bajo la influencia de la luz solar se llama heliotropismo. Las flores de heliotropo siguen el movimiento del Sol por el cielo durante el día, de este a oeste. Por la noche, las flores pueden orientarse al azar, pero al amanecer giran hacia el este, hacia el sol naciente. En mayor o menor medida, casi todas las flores son heliotrópicas.