C'è un vecchio racconto di un contadino che dice, "In una notte tranquilla puoi sentire il grano crescere." Può sembrare divertente, ma Douglas Cook della New York University e i colleghi Roger Elmore e Justin McMechan, presso l'Università del Nebraska, sono stati in grado di utilizzare microfoni a contatto per registrare direttamente i suoni della coltivazione del mais.

Il mais è il principale raccolto di cereali negli Stati Uniti con oltre 350 milioni di tonnellate raccolte ogni anno. Ma la mancanza di comprensione dei meccanismi coinvolti nella rottura del gambo di mais indotta dal vento ha ostacolato ulteriori miglioramenti nella produzione di mais. Gli scienziati delle colture hanno lavorato su questo problema per più di 100 anni, anche se con un successo marginale.

Ora, applicando strumenti e tecniche di ingegneria meccanica, un gruppo di ingegneri e scienziati delle piante guidati da Cook sta facendo progressi nell'affrontare questo problema e scoprendo altri problemi relativi alla crescita e allo sviluppo delle piante.

Durante il 172° Meeting della Acoustical Society of America e il 5° incontro congiunto con la Acoustical Society of Japan, che si terrà dal 28 novembre al dic. 2, 2016, a Honolulu, Hawaii, Cook descriverà il suo lavoro utilizzando tecniche di emissioni acustiche per esplorare la crescita e la rottura degli steli di mais.

"La rottura del materiale è molto simile a un terremoto microscopico:l'improvviso rilascio di sollecitazioni interne invia onde sonore che si irradiano in ogni direzione, Cook ha spiegato. "Stiamo utilizzando sensori speciali chiamati microfoni a contatto piezoelettrici per monitorare i suoni emessi dagli stocchi di mais appena prima del guasto. Questo ci aiuta a comprendere più chiaramente il processo di fallimento".

Allora come suona? "Sorprendentemente, suona notevolmente simile ai suoni emessi quando il mais si rompe, " ha detto Cook. "Ora pensiamo che la crescita delle piante comporti milioni di piccoli eventi di rottura, e che questi eventi di rottura inducano la pianta a correre a "riparare" le regioni danneggiate. Rompendo e riparando continuamente, la pianta è in grado di crescere sempre più alta."

Sebbene i ricercatori non abbiano ancora determinato se questo è vero per tutte le piante, Cook ha suggerito che potrebbe essere un meccanismo simile a quello coinvolto nello sviluppo muscolare:il sollevamento di pesi impartisce minuscole micro-lacerazioni nel muscolo e, mentre questi vengono riparati, il muscolo è rafforzato.

Questa scoperta intrigante è il risultato della fusione di due discipline apparentemente non correlate:la scienza delle piante e l'ingegneria meccanica.

"Molti raccolti vengono persi ogni anno a causa dei danni del vento, " Cook ha detto. "Gli ingegneri sanno molto su come prevenire il cedimento strutturale, e utilizzando tecniche di selezione naturale gli scienziati delle piante possono migliorare virtualmente qualsiasi caratteristica della pianta che possono misurare. Quindi puoi immaginare che una grande quantità di progressi nell'integrità strutturale dell'impianto possa essere ottenuta da queste due discipline che lavorano insieme."

In termini di applicazioni, "questo è un campo di ricerca molto giovane, quindi la maggior parte del nostro lavoro è ancora abbastanza fondamentale in natura, " ha detto Cook. "Stiamo imparando a conoscere la crescita e la rottura delle piante, che potrebbe essere utile agli allevatori quando sviluppano piante progettate in modo ottimale."

Per esempio, hanno appreso che le foglie delle piante di mais in realtà forniscono la maggior parte del supporto strutturale durante i periodi di rapida crescita. Questo è abbastanza sorprendente secondo Cook, e non è un ruolo che in genere dovrebbe svolgere una foglia. Quindi dovrebbe aiutare gli scienziati delle piante a iniziare a sviluppare nuove varietà con foglie più dure che sono meno suscettibili al fallimento durante la fase di crescita.

Il background di Cook è nella biomeccanica umana, quindi lui e i suoi colleghi stanno attualmente utilizzando la tecnologia della tomografia computerizzata (CT) per ottenere immagini 3D delle piante.

"Abbiamo anche in programma di utilizzare la tecnologia di risonanza magnetica (MRI) per visualizzare la crescita e lo sviluppo del mais, " ha aggiunto Cook. "Vorremmo saperne di più sul fallimento del gambo, con l'obiettivo di identificare l'"anello debole" all'interno del processo di fallimento del gambo. Una volta identificato, gli scienziati delle piante possono provare a migliorare la forza e la resilienza degli steli".