Le mele sono tra i frutti più antichi e riconoscibili al mondo. Ma hai mai considerato davvero la forma di una mela? Le mele sono relativamente sferiche ad eccezione di quella caratteristica fossetta nella parte superiore dove cresce lo stelo.

Come fanno le mele a sviluppare quella forma distintiva?

Ora, un team di matematici e fisici ha utilizzato osservazioni, esperimenti di laboratorio, teoria e calcolo per comprendere la crescita e la forma della cuspide di una mela.

Il documento è pubblicato in Fisica della natura .

"Le forme biologiche sono spesso organizzate dalla presenza di strutture che fungono da punti focali, " disse L Mahadevan, la Lola England de Valpine Professore di Matematica Applicata, di Biologia Organistica ed Evoluzionistica, e di Fisica presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e autore senior dello studio. "Questi punti focali possono a volte assumere la forma di singolarità in cui sono localizzate le deformazioni. Un esempio onnipresente è visto nella cuspide di una mela, la fossetta interna dove lo stelo incontra il frutto."

Mahadevan aveva già sviluppato una semplice teoria per spiegare la forma e la crescita delle mele, ma il progetto ha iniziato a dare i suoi frutti quando i ricercatori sono stati in grado di collegare le osservazioni di mele vere in diverse fasi di crescita ed esperimenti su gel per imitare la crescita insieme a teoria e calcoli.

Il team di ricerca ha iniziato raccogliendo mele in varie fasi di crescita da un frutteto del Peterhouse College dell'Università di Cambridge nel Regno Unito, (l'alma mater di un altro famoso amante delle mele, Sir Isaac Newton).

Usando quelle mele, il team ha mappato la crescita della fossetta, o cuspide come la chiamavano, col tempo.

Per comprendere l'evoluzione della forma della mela e della cuspide in particolare, i ricercatori si sono rivolti a una teoria matematica di vecchia data nota come teoria della singolarità. La teoria della singolarità viene utilizzata per descrivere una serie di fenomeni diversi, dai buchi neri, ad esempi più banali come i giochi di luce sul fondo di una piscina, rottura di goccioline e propagazione di cricche.

"Ciò che è entusiasmante delle singolarità è che sono universali. La cuspide della mela non ha nulla in comune con i modelli di luce in una piscina, o una goccia che si stacca da una colonna d'acqua, eppure ha la stessa forma di loro, " ha detto Thomas Michaels, un ex borsista post-dottorato presso SEAS e co-autore dell'articolo, ora all'University College di Londra. "Il concetto di universalità va molto in profondità e può essere molto utile perché collega fenomeni singolari osservati in sistemi fisici molto diversi".

Partendo da questo quadro teorico, i ricercatori hanno utilizzato la simulazione numerica per capire come la crescita differenziale tra la corteccia del frutto e il nucleo guida la formazione della cuspide. Hanno poi corroborato le simulazioni con esperimenti che imitavano la crescita delle mele usando gel che si gonfiava nel tempo. Gli esperimenti hanno mostrato che diversi tassi di crescita tra la massa della mela e la regione del gambo hanno portato alla cuspide simile a una fossetta.

"Essere in grado di controllare e riprodurre la morfogenesi delle cuspidi singolari in laboratorio con semplici strumenti di materiale è stato particolarmente eccitante, " disse Aditi Chakrabarti, un borsista post-dottorato presso SEAS e coautore del documento. "Variando la geometria e la composizione delle imitazioni del gel ha mostrato come si formano più cuspidi, come si vede in alcune mele e altre drupe, come le pesche, albicocche, ciliegie e prugne".

Il team ha scoperto che l'anatomia del frutto sottostante insieme all'instabilità meccanica possono svolgere ruoli congiunti nel dare origine a più cuspidi nei frutti.

"Morfogenesi, letteralmente l'origine della forma, è una delle grandi domande in biologia, " ha detto Mahadevan. "La forma dell'umile mela ci ha permesso di sondare alcuni aspetti fisici di una singolarità biologica. Certo, ora dobbiamo capire i meccanismi molecolari e cellulari dietro la formazione della cuspide, mentre ci muoviamo lentamente verso una più ampia teoria della forma biologica."

Questa ricerca è stata co-autrice di Sifan Yin, uno studente in visita della Tsinghua University e di Eric Sun, un ex studente universitario in laboratorio.