Un team di ricercatori del Gran Sasso Science Institute (GSSI) e dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) ha ideato un approccio matematico per comprendere la comunicazione intra-impianto. Nella loro carta, pre-pubblicato su bioRxiv, propongono un sistema completamente accoppiato di non lineari, equazioni differenziali discontinue e ordinarie non autonome che possono descrivere con precisione il comportamento di adattamento e la crescita di una singola pianta, analizzando i principali stimoli che influenzano il comportamento delle piante.

Recenti studi hanno scoperto che invece di essere organismi passivi, le piante possono effettivamente esibire comportamenti complessi in risposta a stimoli ambientali, ad esempio, adattare l'allocazione delle risorse, strategie di foraggiamento, e tassi di crescita in base all'ambiente circostante. Come le piante elaborano e gestiscono questa rete di stimoli, però, è una questione biologica complessa che rimane senza risposta.

I ricercatori hanno proposto diversi modelli matematici per ottenere una migliore comprensione del comportamento delle piante. Ciò nonostante, nessuno di questi modelli può rappresentare in modo efficace e chiaro la complessità della catena stimolo-segnale-comportamento nel contesto della rete di comunicazione interna di un impianto.

Il team di ricercatori del GSSI e dell'IIT che ha condotto il recente studio aveva precedentemente studiato i meccanismi alla base della comunicazione intra-impianto, con l'obiettivo di identificare e sfruttare i principi biologici di base per l'analisi del comportamento delle radici delle piante. Il loro lavoro precedente ha analizzato le radici robotiche in un ambiente simulato, tradurre un insieme di regole biologiche in soluzioni algoritmiche.

Anche se ogni radice agiva indipendentemente dalle altre, i ricercatori hanno osservato l'emergere di alcuni comportamenti auto-organizzati, finalizzato all'ottimizzazione dell'equilibrio interno dei nutrienti a livello dell'intera pianta. Sebbene questo studio passato abbia prodotto risultati interessanti, ha considerato solo una piccola parte della complessità della comunicazione intra-impianto, trascurando completamente l'analisi degli organi fuori terra, così come i processi legati alla fotosintesi.

"In questo documento, non aspiriamo a una descrizione completa della complessità dell'impianto, tuttavia vogliamo identificare i principali segnali che influenzano la crescita di una pianta con l'obiettivo di indagare i processi che giocano un ruolo nell'intracomunicazione per le decisioni di crescita delle piante, " hanno scritto i ricercatori nel loro recente articolo. "Proponiamo e spieghiamo qui un sistema di equazioni differenziali ordinarie (ODE) che, diversamente dai modelli allo stato dell'arte, prendere in considerazione l'intera sequenza dei processi dall'assorbimento dei nutrienti, fotosintesi e consumo energetico e ridistribuzione."

Nel nuovo studio, perciò, i ricercatori si sono proposti di sviluppare un modello matematico che descriva le dinamiche della comunicazione intra-pianta e analizzi i possibili segnali che attivano le risposte di crescita adattativa in una singola pianta. Questo modello si basa su formulazioni relative a prove biologiche raccolte in esperimenti di laboratorio utilizzando tecniche all'avanguardia.

Rispetto ai modelli esistenti, il loro modello copre una gamma più ampia di elementi, compresa la fotosintesi, degradazione dell'amido, assorbimento e gestione di più nutrienti, allocazione della biomassa, e manutenzione. Questi elementi vengono analizzati in profondità, considerando le loro interazioni e i loro effetti sulla crescita di una pianta.

Per convalidare il loro modello e testarne la robustezza, i ricercatori hanno confrontato le osservazioni sperimentali del comportamento delle piante con i risultati ottenuti applicando il loro modello nelle simulazioni, dove riproducevano condizioni di crescita simili a quelle che si verificano naturalmente nelle piante. Il loro modello ha raggiunto un'elevata precisione e errori minori, suggerendo che possa sintetizzare efficacemente le complesse dinamiche della comunicazione intra-impianto.

"Il modello è in definitiva in grado di evidenziare il segnale di stimolo dell'intracomunicazione nelle piante, e può essere ampliato e adottato come uno strumento utile al crocevia di discipline come la matematica, robotica e biologia, ad esempio, per la convalida di ipotesi biologiche, traduzione di principi biologici in strategie di controllo o risoluzione di problemi combinatori, " hanno detto i ricercatori nel loro articolo.

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