Compreendendo a mecânica por trás da formação da casca

A casca desempenha um papel vital para as árvores: ela previne a perda de água, é uma barreira contra insetos e doenças e fornece isolamento contra temperaturas extremas.

Os humanos usam casca em uma variedade de produtos por causa de sua estrutura única. Por exemplo, a cortiça grossa e leve é ​​comumente usada para rolhas de garrafas de vinho, pisos, tábuas de cortiça e bóias de pesca. A casca fibrosa pode ser trabalhada em corda e tecida em tecidos. Desde os tempos antigos, a casca fina tem sido utilizada para fazer papel e tecido.

Casca é a porção mais externa do caule de plantas lenhosas. Os caules são compostos de camadas de tecido com função variada:

• xilema – transporta água e nutrientes
• câmbio vascular – tecido meristemático que produz xilema (para dentro) e floema para fora
• floema – transporta açúcares e outros produtos metabólicos
• felogênio – tecido meristemático que produz células de cortiça (para o exterior)
• feloderme – camada interna protetora de tecido cortical
• felema – camada externa protetora de tecido cortical

A casca é geralmente composta de floema (casca interna), uma ou mais camadas de felogênio, feloderme e felema (casca externa).

Estímulos biomecânicos — consistindo em forças físicas e sinais mecânicos — afetam o crescimento dos tecidos e células do tronco, influenciando o desenvolvimento da casca. As células do câmbio vascular se dividem em xilema e floema, enquanto o felogênio dá origem ao felema e ao feloderma, levando ao crescimento radial e à expansão do tronco, o que cria pressão externa e tangencial nos tecidos circundantes. Essa tensão e pressão interna servir como estímulos que podem afetar a divisão e diferenciação celular, regulando as taxas de divisão e alongamento celular.

À medida que o caule envelhece e seu diâmetro aumenta, mudanças na organização do tecido complicam a avaliação de como esses estímulos afetam a diferenciação e a atividade do tecido meristemático. Portanto, modelos computacionais são cruciais para entender a influência de estímulos biomecânicos na formação da casca.

Como aluno de mestrado na Universidade Politécnica de Madrid, Álvaro Gutiérrez-Climent juntou-se a uma equipa para desenvolver o MODELBARK, um modelo computacional capaz de simular a formação de casca ao longo do tempo. Uma descrição do desenvolvimento e das características deste modelo foi publicada recentemente em in silico Plantas.

O desenvolvimento do modelo começou com o trabalho de microscopia. Os pesquisadores analisaram as características anatômicas da casca de mudas e sobreiros adultos (Quercus súber), azinheiras (Q. ilex) e seus híbridos usando microscopia. Esses dados foram usados ​​para determinar o tempo de início do primeiro felogênio e para determinar os coeficientes mecânicos para os diferentes tecidos.

MODELBARK é uma ferramenta simples, mas poderosa, para modelar o crescimento secundário radial de troncos de árvores no nível celular. O modelo simula o crescimento de um tronco lenhoso a partir de uma única célula do câmbio vascular. À medida que essa célula do câmbio se divide, novas células são adicionadas em etapas de tempo sequenciais. A formação da casca depende da resistência do tecido externo à pressão exercida pelo tecido interno em expansão. As propriedades mecânicas que influenciam essa resistência, como elasticidade e coesão entre células vizinhas, variam dependendo do tipo de tecido.

Estímulos biomecânicos podem desencadear mudanças em como as células se desenvolvem, levando à formação de tecidos especializados. Em contraste com o câmbio vascular, que permanece ativo durante toda a vida da árvore, um novo felogênio se forma em uma posição mais interna após um ano ou mais, tornando o anterior inativo. Este importante processo é representado no modelo: quando a pressão ultrapassa a resistência, ele estimula a formação do primeiro e dos subsequentes felogênios. As diferenças na estrutura anatômica da casca entre várias espécies surgem de variações nas taxas de divisão do câmbio vascular e do felogênio, bem como das propriedades mecânicas do tecido externo.

O MODELBARK é capaz de simular o desenvolvimento de vários tipos de casca ao considerar os principais fatores que influenciam a anatomia da casca. Ao ajustar parâmetros como taxas de divisão celular, espessura do tecido e valores de resistência, os autores replicaram com sucesso várias formações de casca.

Este modelo oferece insights valiosos sobre a mecânica da formação da casca. Esse entendimento pode ajudar pesquisadores a explorar como as árvores se adaptam a climas em mudança e se protegem contra pragas e doenças.

O MODELBARK possui uma interface intuitiva e está disponível gratuitamente, o que o torna ideal para uso educacional.

LEIA O ARTIGO:

Álvaro Gutiérrez-Climent, Juan Carlos Nuño, Unai López de Heredia, Álvaro Soto, ModelBark: um modelo de brinquedo para estudar a formação de casca em espécies lenhosas, in silico Plants, Volume 6, Edição 2, 2024, diae017, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae017

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MODELBARK, junto com seu manual, está disponível gratuitamente para download no repositório de software GitHub (https://github.com/GGFHF/ModelBark) sob a Licença Pública Geral GNU v3.0.