Desde hace mucho tiempo, los agricultores han observado una correlación entre las tormentas y los brotes de enfermedades en las plantas. Los parásitos fúngicos conocidos como «royas» pueden proliferar especialmente después de las lluvias, consumiendo las hojas del trigo y pudiendo reducir las cosechas.
Aunque los registros meteorológicos históricos sugieren que la lluvia puede dispersar la roya y otros patógenos por toda una población de plantas, hasta ahora no se había investigado el mecanismo por el que esto ocurre.
En un artículo publicado en el Journal of the Royal Society Interface, un equipo del MIT y de la Universidad de Lieja, en Bélgica, presenta imágenes de alta velocidad de gotas de lluvia que salpican una variedad de hojas recubiertas de un fluido contaminado. Como muestran las imágenes de alta resolución, estas gotas pueden actuar como agentes de dispersión y, en algunos casos, catapultar gotas contaminadas lejos de la hoja de origen.
Los investigadores observaron patrones característicos de dispersión y descubrieron que su alcance depende de las propiedades mecánicas de la planta, en particular de su elasticidad o flexibilidad.
Lydia Bourouiba, profesora adjunta de desarrollo profesional Esther y Harold E. Edgerton de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, afirma que comprender la relación entre las propiedades mecánicas de una planta y la propagación de enfermedades puede ayudar a los agricultores a plantar cultivos más resistentes a las enfermedades.
«Podemos empezar a pensar en cómo reinventar inteligentemente el policultivo, con especies de plantas alternadas que tengan propiedades mecánicas complementarias en distintas etapas de su crecimiento», afirma Bourouiba, autora principal del artículo. «El policultivo es un concepto antiguo si nos fijamos en las culturas nativas, pero esta es una manera de demostrar científicamente que, al alternar plantas en un mismo campo, se puede reducir de forma mecánica y natural el alcance de la transmisión de un patógeno durante la lluvia».
Seguimiento de la dinámica de fluidos de un brote
En su artículo, Bourouiba y Tristan Gilet, de la Universidad de Lieja, abordaron primero una suposición muy extendida: que los patógenos recubren las hojas con una fina película.
El equipo realizó experimentos con decenas de tipos de follaje común, como hojas de hiedra, bambú, menta y plátano. Llevó a cabo cientos de experimentos con cada tipo de follaje, utilizando 30 muestras de follaje vegetal real y 12 materiales diseñados artificialmente. En los ensayos iniciales, los investigadores simularon la lluvia haciendo pasar agua por un recipiente perforado con pequeños orificios. El recipiente quedó suspendido a varios metros de altura, lo suficiente para que las gotas alcanzaran la velocidad terminal: la velocidad de una gota de lluvia real al impactar.
Los investigadores captaron la secuencia de acontecimientos cuando las gotas de lluvia golpeaban cada hoja, mediante videografía de alta velocidad a 1.000 fotogramas por segundo. A partir de estas imágenes, Bourouiba y Gilet observaron que, al caer el agua, las hojas no podían sostener una fina película; en su lugar, se formaban gotas en su superficie. El equipo concluyó que, a su vez, los patógenos debían permanecer en forma de gotas —no de película— sobre la superficie de una hoja.
«Al principio, esto puede parecer una pequeña diferencia, pero al observar la dinámica de fluidos de la fragmentación y el alcance resultante de la contaminación alrededor de una hoja infectada, en realidad cambia mucho la dinámica del mecanismo por el que se emiten [los patógenos]», afirma Bourouiba.
Para observar esas diferencias dinámicas, el equipo simuló primero la lluvia sobre una superficie plana recubierta de una fina película. Cuando una gota impactaba en esta superficie, lanzaba un rocío de la sustancia en forma de corona, aunque la mayor parte quedaba en las inmediaciones. En cambio, el equipo descubrió que las gotas de lluvia que salpicaban hojas cubiertas de gotas, en lugar de una película, las lanzaban lejos y en todas direcciones.
De lunas crecientes a catapultas
Para examinar con más detalle el efecto de las gotas de lluvia sobre las gotas presentes en la superficie, los investigadores realizaron otra serie de experimentos en los que salpicaron las hojas con agua teñida, como sustituto de los patógenos. Después prepararon un montaje para imitar una sola gota de lluvia, utilizando láseres para calibrar con delicadeza el punto de la hoja donde caería una gota.
En estos experimentos, Bourouiba y Gilet observaron dos patrones principales de dispersión: una configuración de luna creciente, en la que una gota de lluvia se aplana al impactar, se desliza por debajo de la gota teñida y la lanza hacia arriba en un arco, similar a la forma de una luna creciente; y el desprendimiento inercial, en el que la gota de lluvia nunca llega a tocar una gota teñida, sino que empuja la hoja hacia abajo, haciendo que la gota teñida se deslice hacia abajo y luego salga catapultada, como consecuencia de la inercia de la hoja cuando rebota hacia arriba.
Tras captar cientos de impactos de gotas de lluvia en distintos tipos de hojas, Bourouiba y Gilet se dieron cuenta de que el que una gota adopte una configuración de luna creciente o de desprendimiento inercial depende principalmente de una propiedad: la elasticidad o flexibilidad de la hoja. En general, descubrieron que cuanto más flácida era una hoja, menos eficaz resultaba para lanzar un amplio arco o una luna creciente de fluido. Sin embargo, a cierto grado de flexibilidad, el patrón de luna creciente se transformaba en uno de desprendimiento inercial, en el que el fluido, en forma de gotas más grandes que las que puede producir la luna creciente, era lanzado más lejos de la hoja.
A partir de sus observaciones, los investigadores desarrollaron un modelo teórico que capta cuantitativamente la relación entre la flexibilidad de una hoja, la fragmentación del fluido y el patrón resultante de dispersión inducida por la lluvia. Bourouiba afirma que el modelo podría ayudar algún día a los agricultores a diseñar campos con cultivos alternados. Aunque la práctica del policultivo se ha basado tradicionalmente en reducir la propagación de enfermedades alternando plantas con distintos grados de resistencia a los patógenos, Bourouiba afirma que las propiedades mecánicas intrínsecas de las plantas —no su inmunología biológica— podrían contribuir por sí mismas a contener la propagación de enfermedades.
«Si se hiciera de manera óptima, lo ideal sería que la propagación se limitara por completo a una sola planta vecina, donde se detendría», afirma Bourouiba. «Una planta podría desempeñar la función de escudo y contaminarse, pero sus propiedades mecánicas no bastarían para proyectar el patógeno hasta la planta siguiente. Así se podría empezar a reducir la eficacia de la propagación en una especie y, al mismo tiempo, aprovechar eficazmente el espacio agrícola».
Don Aylor, científico emérito de fitopatología y ecología de la Estación Experimental Agrícola de Connecticut, en New Haven, Connecticut, afirma que los resultados de Bourouiba podrían ser especialmente útiles para frenar las enfermedades en poblaciones pequeñas de plantas.
«Esto podría ayudar a establecer distancias de separación para cultivos de plantas pequeñas, como las fresas, que suelen plantarse muy cerca unas de otras», afirma Aylor, quien no participó en el estudio. «El agricultor también tendría que tener en cuenta el efecto de las salpicaduras sobre el acolchado plástico que se utiliza a menudo en esos cultivos. En resumen, es un buen estudio y presenta hallazgos que sin duda merece la pena seguir investigando».
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autoría: Jennifer Chu es colaboradora invitada de MIT News.
Imagen: Se ven nubes sobre tierras de cultivo en el noroeste de Tasmania, a las afueras de Launceston. REUTERS/David Gray.
