Il problem solving è tradizionalmente considerato una capacità cognitiva superiore che richiede ragionamento, pianificazione e memoria. Le piante non ragionano nel senso umano del termine, ma "risolvono" problemi strutturali, energetici e adattativi con efficienza spesso superiore alle soluzioni umane. Lo studio del problem solving vegetale ha alimentato interi campi dell'ingegneria bio-ispirata (biomimicry): molte delle soluzioni più eleganti dell'architettura, dei materiali e dell'ottimizzazione algoritmica sono state ispirate dal modo in cui le piante affrontano i loro problemi adattativi.

Il problema della luce: come emergere dall'ombra

In una foresta tropicale, il 97-99% della luce solare viene intercettata dalla chioma degli alberi adulti prima di raggiungere il suolo. Per una piantina che germoglia nel sottobosco, il problema della luce è esistenziale: senza luce sufficiente, la fotosintesi non può sostenere la crescita. Le soluzioni vegetali al problema della luce: shade avoidance response (risposta all'ombra): i fitocromi (fotorivelatori) rilevono la riduzione del rapporto rosso/rosso-lontano tipica dell'ombra (causata dall'assorbimento del rosso da parte della clorofilla delle foglie sovrastanti). In risposta, la pianta attiva una cascata di segnalazione che: accelera la crescita internodiale (il fusto si allunga rapidamente cercando di emergere), riduce la ramificazione laterale (concentra le risorse sulla crescita verticale), riduce la produzione di foglie e sposta la crescita verso l'apice, orienta le foglie per massimizzare la cattura della luce laterale. Il risultato: una pianta in ombra è morfologicamente completamente diversa dalla stessa specie in piena luce: più alta, con fusto più sottile, foglie più grandi e verticali. Una plasticità fenotipica straordinaria in risposta al problema della luce. Rampicanti e liane: la soluzione evolutiva più efficiente al problema della luce nelle foreste. I rampicanti non investono nella costruzione di un fusto lignificato e robusto (costoso in risorse): usano le strutture degli alberi come supporto (tramite cirri, ventose, radici avventizie) e investono quasi tutte le risorse nelle foglie per la fotosintesi. La liana Monstera deliciosa sviluppa foglie con grandi fenestrazioni (buchi): si è ipotizzato (Muir, 2013) che le fenestrazioni permettano alla foglia di essere più grande (catturare più luce) senza essere soggetta a danni meccanici dal vento e senza occupare troppo spazio nell'intercettazione degli ombra per le foglie inferiori.

Il problema dell'acqua: soluzioni ingegnose per ogni ambiente

Il problema del reperimento e della conservazione dell'acqua ha prodotto alcune delle soluzioni più spettacolari dell'evoluzione vegetale. Radici profonde: Welwitschia mirabilis (Namibia) ha radici che scendono fino a 30 metri di profondità per raggiungere le falde freatiche nel deserto. L'albero Banksia (Australia) ha radici a proteodermide (proteoid roots) che creano zone di pH acido intorno all'apice radicale per solubilizzare i fosfati altrimenti inaccessibili nel suolo sabbioso australiano povero. Raccolta della nebbia: le piante del deserto di Atacama raccolgono l'umidità dalla nebbia attraverso strutture fogliari specializzate. Il cactus Opuntia (fico d'india) raccoglie la rugiada notturna attraverso le sue spine idrofile e la dirige verso le radici attraverso micro-canali sulla superficie. L'ispirazione per il materiale "fog collecting" in ingegneria viene direttamente da queste strutture. CAM (Crassulacean Acid Metabolism): le piante dei deserti secchi (cactus, agavi, ananas) aprono gli stomi solo di notte (quando le temperature sono basse e la perdita di acqua per evaporazione è minima) e fissano la CO2 nell'acido malico. Di giorno, con gli stomi chiusi, usano la CO2 rilasciata dall'acido malico per la fotosintesi. Una soluzione al problema di fare fotosintesi (che richiede CO2: quindi apertura degli stomi) riducendo al minimo la perdita di acqua (che richiede chiusura degli stomi): una soluzione "di compromesso" temporale. Serbatoi d'acqua: le piante succulente (cactus, euforbie grasse, aloe) immagazzinano enormi quantità di acqua nei tessuti del fusto o delle foglie (parenchima acquifero). Un cactus saguaro maturo può contenere 200-700 litri di acqua. Una riserva che permette di sopravvivere per mesi senza pioggia.

Il problema strutturale: come costruire un fusto alto e leggero

Un albero di 60 metri di altezza che deve reggere il peso delle proprie foglie, resistere al vento, trasportare l'acqua dalle radici in cima e i carboidrati dal fogliame verso il basso: è un problema di ingegneria strutturale di estrema complessità, risolto con materiali biologici. Soluzioni strutturali delle piante: il legno come composito bio-inspired: il legno è un composito naturale di cellulosa (fibre tensili, resistenti alla trazione), emicellulosa (matrice legante), lignina (rigidità, resistenza alla compressione). La combinazione produce un materiale con rapporto resistenza/peso superiore all'acciaio in alcune condizioni. Architettura frattale: la ramificazione degli alberi segue leggi frattali (la legge di Murray: il cubo del raggio del tronco è uguale alla somma dei cubi dei raggi di tutti i rami figli) che ottimizzano il flusso della linfa e la distribuzione del materiale strutturale. Questa legge è stata applicata al design delle reti di distribuzione dell'acqua. Tensegrity strutturale: le radici di superfici degli alberi non reggono l'albero da sole: reggono l'albero in combinazione con la tensione prodotta dall'insieme delle radici in trazione nella direzione opposta. Un sistema di "tensegrity" (tensione + integrità strutturale) che l'ingegnere Buckminster Fuller ha ispirato dalle piante per le sue strutture geodetiche.

Il problem solving delle piante rampicanti: trovare il supporto

I rampicanti hanno il "problema" di trovare un supporto fisico su cui arrampicarsi. La loro soluzione è un sistema di rilevamento attivo e di risposta tropistica che combina tatto, gravità e luce. Il cirro (tendrilla) dei piselli e delle viti: è un organo specializzato che si muove lentamente in cerchi continui (circumnutazione) nell'aria, "cercando" un oggetto da toccare. Quando tocca un supporto, risponde in pochi secondi con una rapida asimmetria di crescita che lo avvolge intorno al supporto in 1-2 minuti. Dopo il contatto iniziale, la tendrilla si ispessisce e lignifica diventando una struttura permanente di supporto. L'orientamento verso il buio (skototropismo): molte liane nei boschi tropicali crescono inizialmente verso il buio invece che verso la luce. Il buio è un indizio affidabile della presenza di un grande tronco d'albero (che fa ombra): la liana cresce verso l'ombra per raggiungere il tronco su cui arrampicarsi, poi una volta agganciata cresce verso la luce. Una strategia "prima il supporto, poi la luce" che risolve il problema dell'accesso alla chioma in modo più affidabile della crescita diretta verso la luce. Il sito di attacco ottimale: alcune piante rampicanti (Boquila trifoliata, una liana cilena) cambiano addirittura la forma delle proprie foglie per mimetizzarsi con l'albero che usano come supporto, assumendo le stesse dimensioni, forma, venatura e colore delle foglie dell'ospite. Un caso di mimetismo adattivo legato al comportamento di problem solving rampicante.

Biomimicry: le soluzioni vegetali replicate dall'ingegneria

La biomimicry (bio-ispirazione) è la disciplina che studia le soluzioni biologiche per applicarle all'ingegneria e al design. Le piante sono tra le fonti di ispirazione più feconde. Lotus effect (effetto loto): le foglie di loto hanno una superficie micro-strutturata nanotopografica (papille di cera microscopiche) che rende l'acqua super-idrorepellente: le gocce scivolano via trascinando lo sporco con sé (auto-pulizia). Replicato in vernici, tessuti, superfici architettoniche auto-pulenti. Fog collection (raccolta della nebbia): ispirata alle piante e agli insetti del deserto. Reti di raccolta della nebbia installate in zone aride (Cile, Namibia, Marocco) replicano le micro-strutture idrofile/idrofobiche delle superfici biologiche per raccogliere acqua dall'aria. Strutture frattali per lo scambio termico: i radiatori e gli scambiatori di calore bio-ispirati replicano la struttura frattale delle foglie (venatura ramificata ottimizzata per il trasporto del fluido) per massimizzare l'efficienza dello scambio termico. Algoritmi di ottimizzazione: il Virtual Cambium di Karl Mattias Fischer (TU Monaco) usa gli stessi principi di crescita adattiva degli alberi (aggiungere materiale dove lo stress è maggiore) per ottimizzare le strutture meccaniche proiettate dall'ingegneria. Gli alberi hanno risolto il problema dell'ottimizzazione strutturale 300 milioni di anni fa.

La competizione radicale come problem solving sociale

Quando le radici di piante diverse si incontrano nel suolo, si svolge una forma di "competizione" per le risorse che ha caratteristiche simili al problem solving in un ambiente a risorse limitate. Riconoscimento self/non-self: le radici di una pianta riconoscono le radici della stessa pianta (self) da quelle di un'altra pianta (non-self), probabilmente attraverso segnali chimici secreti nell'essudato radicale. Con le radici "self" (es. radici di rami diversi della stessa pianta): cooperazione e assenza di competizione intensiva. Con radici "non-self" (altra pianta): competizione diretta per lo spazio e i nutrienti. Il comportamento competitivo delle radici: alcune piante (come la cipolla selvatica Allium vineale) proiettano radici in tutte le direzioni e poi "ritirano" le radici nelle direzioni dove incontrano già occupazione da parte di un competitore, concentrandosi sulle zone libere. Una sorta di "esplorazione + occupazione + ritiro strategico" che ottimizza la copertura del suolo. Allelopatia (inibizione chimica della competizione): molte piante secernono dalle radici composti chimici allelopatici (acidi organici, fenoli, terpeni) che inibiscono la germinazione e la crescita delle radici dei competitors nel suolo circostante. Il noce nero (Juglans nigra) produce juglone, un potente allelopatico che crea uno spazio libero dalla competizione intorno all'albero. Una soluzione chimica al problema della competizione radicale.