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Un cicadélido carga una gota de orina antes de catapultarla. Fuente: Georgia Institute of Technology

Supervelocistas de la naturaleza: hongos cañón y chicharritas tiradoras

La velocidad y la aceleración son estrategias vitales para que los depredadores puedan atrapar a sus presas y estas escapar con vida. Sin embargo, las mayores capacidades de aceleración registradas en la naturaleza forman parte de contextos más reconfortantes y menos traumáticos: la reproducción y la excreción de desechos.

La ballocoria de ‘Pilobolus’

Como los recursos son limitados, para evitar la competencia entre padres y descendientes, plantas y hongos han desarrollado estrategias muy elaboradas destinadas a dispersar sus frutos, semillas y esporas.

Entre ellas destaca la ballocoria (un tipo de dispersión balística) fundamentada en la autogeneración de presiones internas, como hace el pepinillo del diablo. Sin embargo, la capacidad de esta máquina de disparar es nimia comparada con la de los “hongos cañón” coprófilos del género Pilobolus. Estos ostentan el récord del mundo de aceleración en el lanzamiento a distancia de propágulos, a los que autopropulsan mediante un mecanismo explosivo comparable al disparo de un arma de fuego.

Ciclo de vida de Pilobolus crystallinus.

El ciclo de vida de un Pilobolus comienza con un esporangio cargado de miles de esporas que aterriza sobre la hierba. Cuando un herbívoro pace, consume el esporangio. Este resiste el ataque de los ácidos gástricos, sobrevive a través del tracto gastrointestinal y, sin germinar, emerge sobre las nutritivas heces fecales.

Al germinar, cada espora genera un micelio que se alimenta segregando enzimas digestivos sobre los excrementos. Cuando los nutrientes menguan, Pilobolus se reproduce por esporas asexuales formadas en el interior de un esporangio, cuya estructura es única. Se compone de una hifa transparente, el esporangióforo, un filamento de apenas un par de milímetros, que remata en una vesícula más o menos esférica en la que el hongo va insuflando turgencia por presión osmótica.

Esporangios y esporangióforos de Pilobolus kleinii.

En el extremo de la vesícula se desarrolla un único esporangio lentiforme negruzco. Cuando la presión dentro de la vesícula alcanza un nivel suficiente (unas 7 atmósferas), la vesícula estalla y el esporangio sale disparado a una velocidad de 90 km/h. Esto supone una aceleración de 0 a 20 km/h en solo dos nanosegundos, más de 20 000 veces la aceleración gravitacional. Sería equivalente a que un ser humano fuera lanzado a cien veces la velocidad del sonido.

La superpropulsión de las chicharritas

Las chicharritas tiradoras (familia Cicadellidae) son los primeros ejemplos conocidos de “superpropulsión” en la naturaleza.

Se trata de unos insectos succionadores que introducen sus estiletes bucales en el xilema de las plantas por el que asciende la savia bruta. Como se alimentan de savia bruta carente de azúcares, su dieta es muy pobre: un 95 % de agua y trazos de nutrientes inorgánicos. Por lo tanto, están obligadas a absorber constantemente savia y a orinar diariamente hasta 300 veces su peso corporal. En comparación, los humanos orinan cada día alrededor de una cuadragésima parte de su peso corporal.

Cinemática del lanzamiento catapultado de gotas

Un sistema de propulsión consiste en un conjunto mecánico y un propulsor que contiene una energía que se transformará en una fuerza. En biología, los sistemas de propulsión utilizan los músculos como motor y las extremidades como alas, aletas y piernas como medios propulsores.

La superpropulsión es un fenómeno físico que hasta ahora solo se conocía en objetos inanimados. Consiste en que la transferencia de energía cinética que experimenta cualquier esfera elástica impulsada por una catapulta cuya superficie de lanzamiento sea superhidrofóbica se puede incrementar hasta en un 250 % en comparación con la propulsión de objetos rígidos.

Cuando se midieron las velocidades de salida de las gotas de orina desde el extremo distal de una chicharrita y las alcanzadas por las gotas lanzadas se comprobó que era un claro ejemplo de superpropulsión.

La evolución ha situado en el extremo distal del abdomen de las chicharritas un mecanismo de resorte y palanca como el de una simple catapulta: el estilo anal.

Cuando una chicharrita se dispone a orinar el estilo anal se comba hacia atrás desde su posición inicial de reposo para dejar espacio mientras el insecto comprime la orina hasta formar una gota que se hincha poco a poco.

a. Un cicadélido se alimenta sobre un tallo succionando savia con el estilete bucal. b. Imagen microscópica del estilo anal de la cicadélida Homalodisca vitripennis que muestra una zona transparente de una proteína elastomérica (resilina) y unas sensilias alineadas en superficie. c. Imagen aumentada del estilo anal que revela que el estilete en sí mismo es un complejo de quitina (rígida) y resilina (flexible). El canal que transcurre a lo largo del estilo canaliza el fluido excretado. d. La excreción de gotas dura alrededor de 100 milisegundos (ms) y se puede dividir en tres fases diferentes: 1, formación de una gota de orina en el estilo anal; 2, cuando el insecto comprime la resilina arma el resorte del disparo; 3, antes de despegar, la gota elástica se comprime y luego se expande cuando el estilo gira rápidamente y lanza la gota en el plano dorsal y posterior. Modificado a partir del original (Challida et al. 2023).

Al comprimir las gotas justo antes del lanzamiento, el insecto almacena en ellas energía potencial en forma de tensión superficial, haciendo que actúen como membranas elásticas. Cuando la gota cargada de energía se acerca al diámetro óptimo para despegar, el estilo se comba unos quince grados hacia atrás y luego, como el brazo de una catapulta, lanza la gota a una velocidad de hasta 115 km/h con una aceleración cuarenta veces mayor que la gravitacional.

La eyección de gotas superpropulsadas es también una estrategia para que las chicharritas conserven energía gracias a su ciclo de alimentación y excreción. Orinar por goteo es la forma de excreción más eficiente desde el punto de vista energético: la transformación de la energía potencial en energía cinética hace que la micción por goteo necesite entre cuatro a ocho veces menos energía que si se propulsara a chorros.

Conocer cómo estos insectos usan la superpropulsión puede proporcionar soluciones bioinspiradas sobre cómo diseñar sistemas de microfabricación electrónica que superen la adherencia y la viscosidad con menos energía. Aplicar la investigación en física a un proceso biológico con posibles aplicaciones en otros campos refuerza la idea de que la ciencia básica impulsada por la curiosidad es tan potencialmente valiosa como verdaderamente fascinante.

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