Hola a todos los lectores de mi blog, rápidamente les comento que el presente artículo ha tenido como finalidad comentarles sobre la integridad de las ramificaciones de tres tipos de cactáceas.
Sabiendo que es un tema completamente nuevo y no muy estudiado, me he he tomado mi tiempo en resumir las características más importantes de tres especies de cactus como también traducir y tomar las partes más importantes de un estudio científico de biomecánica que recientemente fue publicado y me gustó mucho, también con la finalidad de ahorrarles el tiempo especialmente a los que no sepan inglés.
Los autores de la publicación original en la que me he basado son: Hannes Schwager, Tom Masselter, Thomas Speck y Christoph Neinhuis en el año 2013, su publicación: Functional morphology and biomechanicsof branch–stem junctions in columnar cacti.
Ensayo Científico de ámbito biológico realizado por: Jaramillo Juan
Biomecánica de las ramificaciones en los cactus columnares: Pilosocereus
pachycladus, Cleistocactus morawetzianus y Myrtillocactus geometrizans, como una estrategia de adaptación morfológica funcional.
Pilosocereus
pachycladus es una especie fanerógama perteneciente
a la familia Cactaceae, endémica de Brasil. Es una especie
extendida por todo el mundo.
•Reino: Plantae •Subreino•Tracheobionta•Familia:•Cactaceae•Género:Pilosocereus •Especie: P. pachycladus
Cleistocactus morawetzianus es una especie de Cactus endémico de Perú,
extendida por todo el mundo. Puede tener una altura de 45 a 60 cm.
•Reino: Plantae•Subreino:•Magnoliophyta•Familia•Cactaceae•Género:Cleistocactus•Especie: C.morawetzianus
Myrtillocactus geometrizans es una especie fanerógama perteneciente a la familia de las Cactaceae,
endémica de México extendida por todo el mundo.
•Reino: Plantae•Subreino:•Magnoliophyta•Familia:•Cactaceae•Género:Myrtillocactus•Especie: M. geometrizans
v Introducción:
A partir de la adaptación en ambientes áridos o semiáridos, las
cactáceas columnares evolucionaron de manera diferente de la mayoría de las
plantas dicotiledóneas. Las dos características morfológicas más conspicuas son
las espinas usando areolas y su
suculenta corteza (Mauseth et al 2002).
En contraste con el principio de construcción ampliamente
aceptado que indica que “los
tejidos de soporte deben
acomodarse en una periferia erecta columnar
o estructura tubular para incrementar la rigidez a la flexión y la seguridad contra el doblo mediante el aumento del respectivo
segundo momento del área axial” (Klein B. 2005) contrasta con el hecho que el tejido lignificado vascular (de apoyo) de los brotes del cactus,
están localizados más centradamente.
Tejidos corticales suculentos para el almacenamiento de agua, la
asimilación y transpiración, rodean a un tubo de tejido conductor y fibras. (Mauseth
JD. 2006) FIGURA 1 D-F
La distinta constricción de las ramificaciones de cactus es en los
puntos de ramificación debido a la presencia de la corteza suculenta, ésta es
otra peculiaridad morfológica de los cactus columnares y no ha sido objeto de
análisis biomecánicos todavía. Las averiguaciones previas sobre la estabilidad
de ramificaciones de las plantas se centraron principalmente en las
ramificaciones del árbol que no muestran estas constricciones. (Hannes S 2013)
Para estas ramificaciones "normales", el consenso principal es
que las estrategias de adaptación de carga específicos conducen a condiciones
de tensión-deformación homogénea en la región de ramificación. Típicamente el
diámetro basal de una rama de árbol se correlaciona con la de flexión causada
por la acción de su peso muerto y las cargas adicionales de viento (Niklas KJ. 1992)
El objetivo de este estudio es
analizar la estabilidad y la integridad de ramificaciones en tres especies de
cactus columnar. Un enfoque especial es en la interacción mecánica entre la
disposición de fibra interior del tejido vascular en combinación con la
presencia de la corteza suculenta y la forma de la unión. Los resultados
sugieren una grande estrategia de adaptación de cactus específica.
Figura 1. Pilosocereus
pachycladus: (a) planta entera; (d)
sección transversal de una rama; (g) Sección transversal de madera (j) madera
en la sección tangencial longitudinal. Cleistocactus
morawetzianus: (b) toda la planta, (e) la sección transversal de una
rama, (h) sección transversal de la madera, (k) sección tangencial longitudinal
de la madera. Myrtillocactus geometrizans: (c)
toda la planta, (f) la sección transversal de una rama, (i) sección transversal
de la madera, (l) la sección tangencial longitudinal de la madera.
S = piel, c = corteza, vt = tejidos
lignificados vasculares (madera de cactus), p = médula (tuétano), fl = láminas
de fibra; v = vaso.
v Desarrollo:
Para los estudios macroscópicos,
los especímenes fueron disecados manualmente y los tejidos lignificados de las ramificaciones
se prepararon por maceración enzimática de celulosa y pectinasa a 378C. La
Solución de la enzima en sí tamponada con ácido cítrico (pH 5,5), estabilizado con
polivinilpirrolidona y conservado con azida de sodio. El curso de la fibra en
la zona de ramificación se determinó mediante el análisis de vistas laterales
macroscópicas, secciones longitudinales y transversales mediana con el
procesamiento digital de imágenes de software ImageJ v 1.47t
Tres modelos informáticos
tridimensionales de las ramificaciones de cactus se han generado con el
software de modelado de elementos finitos PATRAN v. 2012 (MSC Software Corp.).
Los resultados de las
investigaciones anatómicas y mecánicas descritas sirven como parámetros de
entrada para estos modelos. Una particular atención se dio para representar
correctamente las características morfológicas y anatómicas de las especies
investigadas.
Figura 2: .Pilosocereus pachycladus:
(a, d, g, j). Cleistocactus
morawetzianus (b, e, h, k) Myrtillocactus
geometrizans (c, f, i, l).
Los modelos con del material
ortótropos e isótropo constantemente se utilizaron para poner de relieve la
influencia de la madera fibrosa en el estado de tensión en la zona de
ramificación. El resultado de estas simulaciones (P. pachycladus: figura 4e, i; M. geometrizans: figure 4f, j) se compararon
con un modelo de referencia simple que consiste en dos tubos cilíndricos
conjuntos (figura 4c, g) así como un
modelo optimizado biomiméticamente usando de las reglas de diseño establecidas
por Mattheck para imitar ramificaciones
de árbol (figura 4d, h)
Figura 4.
Análisis de elementos finitos de los modelos de ramificación. Modelos de
elementos finitos enteros de (a) pachycladus Pilosocereus y (b) Myrtillocactus
geometrizans. Distribución de tensiones en el tejido vascular: tensiones de
tracción (rojo) en el lado adaxial (c-f) y tensiones de compresión (azul) en el
lado abaxial (g-j) de la ramificación de (c, g) un modelo de referencia que
consiste en dos tubos cilíndricos conjuntas; (d, h) un modelo de acuerdo con
los métodos desarrollados por Mattheck. (e, i) son el modelo de P. pachycladus,
y (f, j) el modelo de M. geometrizans. Distribución de la tensión de compresión
(azul) en la corteza suculenta: (k) el modelo de P. pachycladus; (l) el modelo
de M. geometrizans. Flechas: (c, g) el estrés máximos; (e, f) desplazamiento
lateral de la tensión acentos máximos; (i) desplazamiento lateral de la
compresión de estrés máximos; (k, l) la tensión de compresión en la corteza en
el lado abaxial de la ramificación.
Modelo de Referencia.- El modelo de referencia de dos tubos cilíndricos
conjuntas muestra la distribución de la tensión típica de una viga en voladizo
en condiciones de carga automática (figura
4c, g). Los esfuerzos de tensión en la adaxial y tensiones de compresión en
el lado abaxial de la rama alcanzar su máximos en la unión de la rama con el
vástago. El borde afilado en la transición conduce a una concentración muy alta
tensión (tensiones de primera clase, las flechas en la figura 4c, g), lo que
aumenta el riesgo de fracaso.
Modelo de Mattheck.- En un
modelo basado en las reglas de diseño propuestos por Mattheck, las tensiones
mecánicas en la zona de unión se extienden por un área mayor (véase la figura 4d, h con la figura 4c,
g). El diámetro de la base rama ampliada en combinación con una curvatura
suave en la zona de transición entre el vástago y la rama ayuda a reducir la
magnitud de la tensión y conducir a una distribución de tensiones homogéneo sin
picos de tensión muesca críticos en el lado abaxial y adaxial de la base de
rama.
v Conclusiones
o Pilosocereus
pachycladus: El modelo que representa la estructura de soporte vascular
lignificadas de la ramificación de P. pachycladus y muestra que las muescas en
el lado adaxial y abaxial en combinación con el comportamiento del material
ortotrópico dividen el estrés máximo en dos partes principales y cambian ellos
lateralmente hacia la periferia de la rama (comparar
figura 4e, i con la figura 4c, g). No hay concentraciones críticas de
estrés se pueden encontrar en las regiones mediana.
En las simulaciones que
también tengan la corteza suculenta en
cuenta a una reducción de la tensión de compresión en el tejido vascular en el
lado abaxial de la base de rama, podría ser detectado como si la corteza suculenta disipase en parte el
esfuerzo de compresión (Ver flecha en la
figura 4 k).
o
Cleistocactus morawetzianus: La
ramificación es morfológicamente muy similar a P. pachycladus, lo que sugiere
que los resultados son transferibles a C. morawetzianus. Por lo tanto, no se
realizó la simulación adicional.
o
Myrtillocactus geometrizans: La
simulación excluyendo la corteza cuenta con una distribución de la tensión
homogénea sin concentraciones de tensiones en el lado abaxial de la
ramificación similar al modelo Mattheck (comparar
figura 4j con la figura 4h). En el lado adaxial, el comportamiento del
material ortotrópico de la madera de cactus conduce a un desplazamiento lateral
de la tensión máxima. La sección media está libre de tensiones de tracción. La
diferencia con una ramificación del árbol "normal" se fundamenta en
las simulaciones, incluyendo la corteza. La tensión de estreses máximos y
mínimos de la tensión de compresión en el tejido vascular se reducen en casi un
50%. La corteza se disipa en parte el esfuerzo de compresión en el lado abaxial
de la rama (flechas en la figura 4l).
v Bibliografía
Schwager H,
Masselter T, Speck T, Neinhuis C. 2013 Functional morphology and biomechanics
of branch–stem junctions in columnar cacti. Proc R Soc B 280: 20132244.
http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2013.2244
Klein B. 2005
Leichtbau-Konstruktion, 6th edn. Wiesbaden, Germany: Vieweg.
Mauseth JD, Kiesling
R, Ostolaza C. 2002 A cactus odyssey. Portland, OR: Timberpress.
Mauseth JD. 2006
Structure –function relationships in highly modified shoots of Cactaceae. Ann.
Bot. 98, 901– 926. (doi:10.1093/aob/mcl133)
Niklas KJ,
Molina-Freaner F, Tinoco-Ojanguren C. 1999 Biomechanics of the columnar cactus Pachycereus
pringlei. Am. J. Bot. 86, 767– 775. (doi:10.2307/2656697)
contador visitas
