Le difese meccaniche delle piante sono le più visibili e facili da comprendere: strutture fisiche che rendono una pianta difficile, dolorosa o pericolosa da mangiare. A differenza delle difese chimiche (invisibili, molecolari), le difese meccaniche sono macrostrutture che funzionano attraverso il contatto fisico. Ma la distinzione non è sempre netta: molte strutture meccaniche contengono anche difese chimiche (le spine dei rovi sono ricoperte da microrganismi irritanti, i tricomi ghiandolari contengono tossine).

La distinzione fondamentale: spine, aculei, spine e tricomi

In botanica, le strutture appuntite delle piante sono classificate in base alla loro origine anatomica: Spina: una modificazione di un organo vascolare (foglia, ramo, stipola) che contiene tessuto vascolare ed è fermamente collegata al legno della pianta (non si stacca facilmente senza rompere il ramo). Esempi: biancospino (Crataegus: le spine sono rami modificati), prugnolo (Prunus spinosa: la susina selvatica), agrumi (le spine sono rami modificati), agrifoglio (le foglie hanno punte appuntite). Aculeio: una crescita dell'epidermide o della corteccia, senza tessuto vascolare interno. Si stacca più facilmente dalla pianta (come gli aculei delle rose, che si staccano a mano senza rompere il ramo). Esempi: rose (Rosa spp.), rovi (Rubus spp.), lamponi. Spina: un termine talvolta usato come sinonimo di spina in senso lato. Tricomi (setole, peli ghiandolari, peli urticanti): crescite epidermiche microscopiche. Possono essere semplici (peli non ghiandolari: riducono la perdita d'acqua e rendono difficile agli insetti camminare), ghiandolari (contengono tossine o oli essenziali: basilico, geranio, cannabis), o urticanti (come i tricomi dell'ortica: microsiringe che iniettano istamina, acido formico e acetilcolina sotto la pelle). Silice nella parete cellulare: alcune graminacee (bambù, canna da zucchero, Poaceae in generale) incorporano cristalli di silice (SiO2) nelle pareti cellulari delle loro foglie. Il risultato: foglie estremamente dure che consumano rapidamente i denti degli erbivori e causano micro-lacerazioni nella mucosa orale. La corteccia della canna da zucchero è così abrasiva da poter rompere i denti del bestiame che la mangia per troppo tempo.

Le spine come deterrente evolutivo: la corsa agli armamenti con gli erbivori

Le spine si sono evolute indipendentemente in molti diversi lignaggi vegetali (cactus, Brassicaceae, rose, agrifogli, acacie, palme), dimostrando che la difesa meccanica è una soluzione evolutiva trovata ripetutamente. La distribuzione delle spine sulla pianta rivela la loro funzione: spine concentrate sui germogli giovani e sulle foglie giovani (le parti più vulnerabili e nutrienti), spine più grandi e dense alla base della pianta dove i grandi erbivori (bestiame, cervi) possono raggiungerla, spine più dense nelle aree dove la pressione degli erbivori è storicamente alta (piante della savana africana: le acacie hanno spine molto più lunghe e numerose nelle popolazioni simpatriche con gli elefanti rispetto alle popolazioni in aree senza elefanti). L'acacia e la giraffa: la coevoluzione più studiata tra spine e grandi erbivori. Le giraffe (con colli lunghi e lingue prensili di 45 cm) mangiano le foglie tra le spine dell'acacia senza ferirsi: la loro lingua ha una spessa cheratina protettiva. L'acacia risponde all'attacco aumentando la produzione di spine e tannini nelle sue foglie. La giraffa sposta l'alimentazione verso foglie più distanti o altre piante. La pressione selettiva produce spine sempre più lunghe e foglie sempre più ricche di tannini nelle acacie delle savane con giraffe. L'esperimento "rimuovi le spine": nelle aree del Kenya dove gli elefanti sono stati esclusi per decenni (recinzioni a prova di elefante), le acacie hanno ridotto significativamente la produzione di spine nel corso di poche generazioni. La pressione degli erbivori è il motore della selezione per le spine.

Le spine per la dispersione dei semi: un ruolo duplice

Molte piante spinose usano le loro spine non solo per la difesa ma anche per agganciare i semi agli animali che passano (epizoocoria: dispersione dei semi attraverso l'attaccamento agli animali). Bardana (Arctium lappa): l'esempio italiano più noto. I frutti spinosi (capitoli con brattee involucrate uncinate) si attaccano tenacemente al pelo degli animali e ai vestiti umani. Possono viaggiare chilometri agganciati alla coda di un cane o ai calzini di un escursionista prima di staccarsi. La bardana ha ispirato l'invenzione del Velcro: George de Mestral (1948) ha esaminato al microscopio i piccoli uncini delle brattee di bardana rimasti attaccati ai suoi calzini e ha realizzato il principio del Velcro. Agrimonia (Agrimonia eupatoria): frutti con uncini rigidi che si attaccano agli animali. Comune nei boschi italiani. Daucus carota (carota selvatica): durante la fruttificazione, i peduncoli floreali si curvano verso l'interno formando un "nido" spinoso che si attacca agli animali. L'uncino e la spina: la stessa struttura (crescita rigida e appuntita) serve a scoraggiare gli erbivori dal mangiare le foglie e ad agganciare i frutti agli animali dispersori. La distinzione funzionale dipende dalla posizione (sulla foglia rispetto al frutto) e dalla forma (punta dritta come deterrente rispetto a uncino che cattura). La selezione naturale ha plasmato la stessa struttura per diverse funzioni a seconda del contesto.

I cactus: la forma più estrema di difesa meccanica

I cactus (famiglia Cactaceae, originari delle Americhe) rappresentano l'esempio più estremo di difesa meccanica delle piante combinata con la riduzione della perdita d'acqua. La morfologia del cactus è una risposta adattativa all'aridità e alla pressione degli erbivori: le foglie si sono ridotte a spine (o sono già evolutivamente assenti: la clorofilla si trova nel fusto succulento), il fusto è diventato l'organo fotosintetico principale e la riserva d'acqua. Le spine del cactus hanno molteplici funzioni: difesa meccanica primaria contro gli erbivori (i pecari e i coyote imparano rapidamente a non avvicinarsi), riduzione della temperatura del fusto (creando uno strato di aria stagnante che riduce il surriscaldamento), raccolta della rugiada notturna (le spine idrofile raccolgono micro-gocce di condensa che scorrono verso la base della pianta), dispersione passiva dei semi (alcuni cactus con spine uncinate si agganciano ai mammiferi di passaggio). I glochidi dell'Opuntia: oltre alle spine principali, il fico d'India ha i glochidi: minuscole spine curve microscopiche che si conficcano nella pelle al minimo contatto e sono quasi impossibili da rimuovere (hanno barbe retrograde come ami da pesca). I glochidi sono la difesa più efficace dell'Opuntia contro gli erbivori che potrebbero tollerare le spine principali. Anche gli umani con i guanti devono stare attenti: i glochidi penetrano attraverso molti tessuti. La difesa meccanica del bambù: i giovani germogli di bambù (culmi germinanti) sono ricoperti di sottili aghi di silice microscopici (fitoliti) che irritano intensamente la pelle e le mucose di molti mammiferi. Le foglie mature contengono silice che riduce la digeribilità e consuma i denti degli erbivori generalisti. Nonostante ciò, alcuni erbivori specializzati (il panda gigante) si sono adattati a nutrirsi quasi esclusivamente di bambù.

L'ortica: difesa chimica all'interno di una struttura meccanica

L'ortica comune (Urtica dioica) è l'esempio più famoso di difesa meccanica con componenti chimiche integrate. I tricomi urticanti dell'ortica sono veri sistemi di iniezione sottocutanea: ogni pelo urticante è una microsiringa fragile con punta di silice. Al contatto, la punta di silice si rompe, rimanendo conficcata nella pelle come una siringa rotta; il corpo tubolare del pelo (che contiene una soluzione di istamina, acido formico, acetilcolina, serotonina e leucotrieni) viene compresso e inietta il suo contenuto attraverso la punta rotta nella pelle. L'effetto: bruciore e pomfi orticarioidi (orticaria) mediati dall'istamina, che durano 30-60 minuti. La funzione evolutiva: scoraggiare gli erbivori di piccole e medie dimensioni (caprioli, conigli, piccoli roditori), difesa contro gli insetti che camminano sulla pianta. Gli animali grandi (bovini, cavalli) possono mangiare l'ortica fresca se affamati, ma la evitano quando possono. L'ortica disidratata (secca) o cotta perde la sua funzione urticante (le siringhe vengono distrutte) ma mantiene il contenuto nutrizionale (ricca di ferro, calcio, vitamina C, clorofilla: eccellente in cucina e come tè). L'ortica in Italia: una delle piante più diffuse e più utili nell'ecosistema. Cibo per le larve di farfalle (Vanessa io, Aglais urticae, Polygonia c-album), fonte di fibre tessili storiche (canapa d'ortica: utilizzata per fare corde prima dell'adozione del cotone), cibo tradizionale (risotto d'ortica, frittata, zuppa).