El 'Lego' de les plantes

Com s'organitzen les plantes? Per què han evolucionat així? En Francisco Lloret hi reflexiona a partir del premi Haeckel d'ecologia atorgat a l'investigador Carlos Herrera.

Per a Carlos

En el recent congrés d'ecologia coorganitzat per l'EEF (European Ecological Federation) i la BES (British Ecological Society), es va atorgar el premi Haeckel, màxima distinció europea en recerca ecològica, a Carlos Herrera (en Jaume Terradas ja ho mencionava en aquest article al blog). Carlos porta molts anys estudiant les interaccions mutualistes entre les plantes i els animals, és a dir aquells processos, com la dispersió o la pol·linització, que comporten beneficis a ambdues parts. A més d'una gran capacitat analítica, Carlos és un gran naturalista, amb una extraordinària capacitat d'observació. No ens ha d'estranyar que, en el seu afany per desbrossar nous camins del coneixement, ens parlés en el seu discurs del significat ecològic de la variabilitat entre els òrgans (fulles, flors, fruits) d'una mateixa planta. En aquest article podeu trobar completa la seva exposició. Jo em limitaré a comentar algunes idees al fil de la seva xerrada.

La raó de l’èxit dels mòduls resideix en la seva capacitat per ajustar-se a les petites variacions de l’ambient que representen oportunitats d’obtenir recursos o de suportar polsos d’estrès.

A diferència de la majoria dels animals, les plantes s'organitzen en base a mòduls —no obstant això, hi ha alguns animals que es fixen a un substrat que també són modulars, com els coralls. Es tracta d'unitats funcionals de creixement, com les fulles, que es repeteixen en un mateix organisme i que tenen un cert grau d'autonomia funcional. En un vertebrat, la pèrdua de la majoria de les parts del cos, un braç o no diguem el cap, és irreemplaçable mentre que en una planta les arrels fines que absorbeixen aigua i nutrients moren ràpidament i són reemplaçades immediatament. La raó de l'èxit dels mòduls resideix en la seva capacitat per ajustar-se a les petites variacions de l'ambient que representen oportunitats d'obtenir recursos o de suportar polsos d'estrès.

Si la vida existeix gràcies a la seva capacitat de fixar l'energia del seu entorn, principalment a partir de la radiació que arriba del Sol, per què no s'ha organitzat en una única làmina fotosintetitzadora espessa que cobreixi tota la Terra i capti així completament aquesta radiació?

Si la vida existeix gràcies a la seva capacitat de fixar l'energia del seu entorn, principalment a partir de la radiació que arriba del Sol, per què no s'ha organitzat en una única làmina fotosintetitzadora espessa que cobreixi tota la Terra i capti així completament aquesta radiació? La resposta és que el mitjà no és homogeni ni constant. En un bosc la llum arriba amb diferent inclinació al llarg del dia. Els mòduls, en conjunt, permeten captar millor la variació en l'arribada de la radiació. De forma anàloga, la immensa majoria de les plantes prefereixen repartir el seu esforç reproductor en diferents unitats, les flors, les quals poden captar fonts de pol·len diferents, abans que concentrar-lo en una única flor. Així cobra sentit la relació que mostrava Carlos Herrera entre variabilitat de diferents paràmetres de la fulla dins d'una mateixa planta —com la densitat i la mida dels estomes— i la seva fecunditat. És perfectament congruent amb una interpretació evolutiva dels mòduls, ja que la seva variació dins d'un individu li permet ajustar-se millor a un entorn que també és variable.

Així doncs, una font important de la variabilitat intraindividual en les plantes pot atribuir-se a la pròpia variabilitat del medi. És ben conegut que les fulles de les alzines que creixen exposades al sol a la part alta de la copa són més fortes i petites que les que creixen a l'ombra en les branques interiors. Però a més també hi ha un component intern de la planta que governa aquesta variabilitat. Hi llinatges evolutius amb mòduls menys variables, com han demostrat alguns estudis. El llegat genètic també es manifesta perquè hi ha llinatges que desenvolupen determinades formes de creixement modular que són intrínsecament menys variables per raons anatòmiques o senzillament geomètriques.

Una font important de la variabilitat intraindividual en les plantes pot atribuir-se a la pròpia variabilitat del medi. És ben conegut que les fulles de les alzines que creixen exposades al sol a la part alta de la copa són més fortes i petites que les que creixen a l’ombra en les branques interiors.

Per exemple, fulles lineals —definides majoritàriament per una sola dimensió— com les de les gramínies tenen probablement menys opcions de ser variables que les fulles més amples de les alzines —esteses en un pla definit per dues dimensions. Les fulles lineals, però, solucionen en certa mesura aquest desavantatge doblegant-se amb gran facilitat, com recorda Carlos Herrera. Aquestes constriccions físiques són molt importants en biologia, tot i que sovint ens n'oblidem d'elles en intentar buscar explicacions més teleològiques o finalistes. És a dir, no totes les formes biològiques obeeixen a un criteri d'optimització, sinó que moltes vegades són el resultat de l'oportunitat. L'evolució és una gran mestra de l'oportunitat i treballa a gust amb les estructures preexistents.

Al seu torn, la variabilitat dels òrgans dins d'una mateixa planta genera micro-entorns de cara a altres organismes. Gràcies a les tècniques moleculars de seqüenciació massiva s'està documentant la diversitat de microorganismes que habiten a la superfície de les fulles, el que s'ha vingut a anomenar la 'filosfera'. Segurament el més interessant és que comencen a haver-hi indicis que aquesta filosfera al seu torn pot condicionar el funcionament de les fulles i per extensió de tot l'arbre i de l'ecosistema. Per exemple, determinades combinacions de microorganismes podrien controlar infeccions que es produeixen per patògens que penetren a través dels estomes de les fulles. És una cosa semblant al que passa al nostre intestí amb la seva flora bacteriana i que cada dia es revela com a fonamental en processos fisiològics més enllà de la funció digestiva.

Comencen a haver-hi indicis que aquesta filosfera al seu torn pot condicionar el funcionament de les fulles i per extensió de tot l'arbre i de l'ecosistema.

Tornant a les plantes, les arrels constitueixen mòduls altament variables davant l'enorme heterogeneïtat del sòl, la qual es multiplica a nivell de centímetres o mil·límetres. Ja fa anys que es va demostrar que les arrels de diferents espècies determinen comunitats microbianes característiques ja que generen microambients distints, per exemple, a través de la diferent composició química dels seus exsudats. Per la seva banda, les comunitats microbianes de sòl afavoreixen o limiten l'establiment i el creixement de diferents espècies vegetals, condicionant les interaccions que s'estableixen entre elles. Així, veiem com la modularitat d'una planta, i la seva variabilitat, afecta a altres organismes, els quals, al seu torn, condicionen el funcionament de la planta.

Ens trobaríem davant d'un bucle de retroalimentació que mereix ser explorat en profunditat conforme els avenços tècnics ho permetin. Per exemple, els processos epigenètics de regulació de l'expressió gènica en diferents cèl·lules o teixits d'un mateix organisme són al seu torn determinats per processos ambientals, i poden constituir un mecanisme a través del qual s'articulen aquestes retroalimentacions. Sovint pensem en les interaccions entre diferents organismes oblidant aquests bucles de retroalimentació mútua. És fàcil pensar que un tipus de planta determina les comunitats microbianes que viuen al seu entorn. També és fàcil pensar que les comunitats microbianes del sòl poden proporcionar els diferents nutrients del sòl de manera que afavoreixi a determinades plantes. El que no és tan obvi és que un mateix tipus de planta es pugui veure afavorida o perjudicada per ella mateixa o per un altre tipus de planta a través dels seus efectes sobre uns tercers, i que aquests efectes es transfereixin en el temps, fins i tot quan les primeres plantes van desaparèixer d’un indret determinat.

Si la variabilitat intraindividual és tan important, vol dir això que estem abocats a mesurar tots els mòduls de totes les plantes per poder entendre com funciona un bosc, un matoll o un prat?

Finalment, si la variabilitat intraindividual és tan important, vol dir això que estem abocats a mesurar tots els mòduls de totes les plantes per poder entendre com funciona un bosc, un matoll o un prat? És el típic problema d'escalat entre nivells d'estudi. És equivalent a preguntar-nos si hem de mesurar tots els arbres per poder explicar un paisatge forestal. Les regles bàsiques d'escalat ens diuen que quan afegim dades de diferents unitats (fulles d'una planta, arbres d'un bosc) les mitjanes són bons indicadors del conjunt. Mentre que quan desagreguem la informació d'unitats d'estudi àmplies, necessitem mesures de la variabilitat dins d'aquestes unitats per poder distingir en alguna cosa les subunitats. Però si el mitjà és molt variable en el temps, la variabilitat espacial entre les diferents unitats o mòduls és fonamental per explicar propietats del sistema relacionades amb la seva estabilitat o dinàmica. Així, la mesura de la variabilitat intraindividual de les fulles d'un arbre és important per entendre l'eficiència global de l'arbre davant el recorregut del Sol en el cel al llarg del dia o de les estacions de l'any. Sens dubte, hem d'incorporar aquestes mesures de variabilitat per poder entendre les propietats de sistemes que representen nivells d'organització més amplis.

Afortunadament, les lleis de l'estadística ens alliberen de mesurar tot, i podem treballar amb mostres, encara que això impliqui aprendre a gestionar la incertesa. És curiós que les persones ens quedem embadalides davant la filigrana de la natura més petita, com les que fa més d'un segle va dibuixar Haeckel, un dels patriarques de l'ecologia, alhora que ens meravellem d'un paisatge sublim en què a penes distingim els organismes vius, i no obstant això les dues visions estan íntimament encaixades, no com nines russes bàsicament iguals en la seva forma, sinó com un tapís ple de nusos que es fan i desfan contínuament.