Le difese meccaniche delle piante sono le più visibili e le più immediate da comprendere: strutture fisiche che rendono la pianta difficile, dolorosa o pericolosa da mangiare. A differenza delle difese chimiche (invisibili, molecolari), le difese meccaniche sono macrostrutture che agiscono per contatto fisico. Ma la distinzione non è sempre netta: molte strutture meccaniche contengono anche difese chimiche (le spine del rovo sono rivestite di microbi irritanti, i tricomi ghiandolari contengono tossine).

La distinzione fondamentale: spine, aculei, aguglioni e tricomi

In botanica, le strutture appuntite delle piante si classificano in base alla loro origine anatomica: Spina (spine): una modificazione di un organo vascolare (foglia, ramo, stipola) che contiene tessuto vascolare e è solidamente connessa al legno della pianta (non si stacca facilmente senza rompere il ramo). Esempi: biancospino (Crataegus: le spine sono rami modificati), pruno selvatico (Prunus spinosa: la prugnola), agrumi (le spine sono rami modificati), agrifoglio (le foglie hanno punte fogliari). Aculeolo (prickle, in inglese; aculeo): una escrescenza dell'epidermide o della corteccia, senza tessuto vascolare interno. Si stacca più facilmente dalla pianta (come gli aculei della rosa, che si tolgono con le mani senza rompere il ramo). Esempi: rosa (Rosa spp.), rovo (Rubus spp.), lampone. Aguglione (thorn): termine a volte usato come sinonimo di spina in senso lato. Tricomi (setole, peli ghiandolari, orticanti): escrescenze epidermiche microscopiche. Possono essere semplici (peli non ghiandolari: riducono la perdita di acqua e rendono difficile la camminata degli insetti), ghiandolari (contengono tossine o oli essenziali: il basilico, il geranio, la cannabis), o orticanti (come i tricomi dell'ortica: siringhe microscopiche 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) nella parete cellulare delle foglie. Il risultato: foglie durissime che consumano rapidamente i denti degli erbivori e producono microlacerazioni nelle mucose orali. La corteccia della canna da zucchero è così abrasiva che può rompere i denti dei bovini che la mangiano troppo a lungo.

Le spine come deterrente evolutivo: la gara con gli erbivori

Le spine si sono evolute indipendentemente in molti lignaggi vegetali diversi (cactus, Brassicaceae, rose, agrifogli, acacie, palme), a dimostrazione 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 più nutrizionalmente preziose), spine più grandi e più fitte alla base della pianta dove gli erbivori di grande taglia (bovini, cervi) possono raggiungere, spine più fitte nelle aree dove la pressione degli erbivori è storicamente elevata (piante delle savane africane: le acacie hanno spine molto più lunghe e più numerose nelle popolazioni simpatriche con elefanti rispetto alle popolazioni in aree senza elefanti). L'acacia e la giraffa: la co-evoluzione più studiata tra spine e erbivori di grande taglia. Le giraffe (con collo lungo e lingua prensile 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 di tannini nelle foglie. La giraffa sposta l'alimentazione verso foglie più distanti o verso altre piante. La pressione selettiva produce spine sempre più lunghe e foglie sempre più tannifere nelle acacie delle savane con le giraffe. L'esperimento "rimuovi le spine": nelle aree del Kenya da cui gli elefanti sono stati esclusi per decenni (recinti anti-elefante), le acacie hanno ridotto significativamente la produzione di spine nel corso di alcune generazioni. La pressione degli erbivori è il motore della selezione per la spina.

Spine per la dispersione dei semi: un doppio ruolo

Molte piante con spine le usano non solo per la difesa ma anche per agganciare i semi agli animali che passano (epizoocoria: dispersione dei semi tramite attaccamento agli animali). La bardana (Arctium lappa): il più noto esempio italiano. I frutti spinosi (capolini con involucro di brattee uncinate) si aggrappano tenacemente al pelo degli animali e ai vestiti degli umani. Possono percorrere 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) esaminò al microscopio i piccoli uncini delle brattee della bardana agganciati ai suoi calzini e realizzò il principio del velcro. Agrimonia (Agrimonia eupatoria): frutti con uncini rigidi che si aggrappano agli animali. Comune nei boschi italiani. Daucus carota (carota selvatica): in fase di fruttificazione i peduncoli dei fiori si curvano verso l'interno formando un "nido" spinoso che si aggrappa agli animali. L'uncino e la spina: la stessa struttura (escrescenza rigida e appuntita) serve a dissuadere gli erbivori dalle foglie e ad agganciare i frutti agli animali dispersori. La distinzione funzionale dipende dalla posizione (sulla foglia vs sul frutto) e dalla forma (punta diritta deterrente vs uncino che si aggancia). La selezione naturale ha plasmato la stessa struttura per funzioni diverse a seconda del contesto.

I cactus: la forma più estrema di difesa meccanica

I cactus (famiglia Cactaceae, nativa delle Americhe) sono l'esempio più estremo di difesa meccanica vegetale combinata con la riduzione delle perdite di acqua. La morfologia del cactus è una risposta adattiva all'aridità e alla pressione degli erbivori: le foglie sono state ridotte a spine (o già evolutivamente assenti: la clorofilla è nel fusto succulento), il fusto è diventato il principale organo fotosintetico e il serbatoio d'acqua. Le spine del cactus hanno multiple funzioni: difesa meccanica primaria contro gli erbivori (i peccari e i coyote imparano presto a non avvicinarsi), riduzione della temperatura del fusto (creando uno strato di aria stagnante che riduce il surriscaldamento), raccolta di rugiada notturna (le spine idrofile raccolgono le micro-gocce di condensa che scorrono verso la base della pianta), dispersione passiva dei semi (alcuni cactus con spine uncinate si aggrappano ai mammiferi che passano). Le glochidi dell'Opuntia: oltre alle spine principali, l'fico d'india ha delle glochidi: minuscole spine ricurve microscopiche che si conficcano nella pelle al minimo tocco e sono quasi impossibili da estrarre (hanno microbarbette retrose come i pescetti d'amo). Le glochidi sono la difesa più efficace dell'Opuntia contro gli erbivori che potrebbero sopportare le spine principali. Anche l'uomo con i guanti deve stare attento: le glochidi penetrano attraverso molti tessuti. La difesa meccanica del bambù: i fusti giovani del bambù (culmi in germogliazione) 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 questo, alcuni erbivori specializzati (il panda gigante) si sono adattati a nutrirsi quasi esclusivamente di bambù.

L'ortica: la difesa chimica dentro la struttura meccanica

L'ortica comune (Urtica dioica) è l'esempio più famoso di difesa meccanica con componente chimica integrata. I tricomi urticanti dell'ortica sono veri e propri sistemi di iniezione subcutanea: ogni pelo urticante è una microsiringa fragile con una punta di silice. Al tocco, 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 contenuto attraverso la punta rotta nella pelle. L'effetto: bruciore e pomfo urticante (hives) mediato dall'istamina, che dura 30-60 minuti. La funzione evolutiva: deterrenza degli erbivori di piccola e media taglia (caprioli, conigli, piccoli roditori), difesa contro gli insetti che camminano sulla pianta. Gli animali di grande taglia (bovini, cavalli) possono mangiare l'ortica fresca se sono affamati, ma la evitano quando possono. L'ortica disidratata (essiccata) o cotta perde la funzione urticante (le siringhe vengono distrutte) ma mantiene il contenuto nutritivo (ricca di ferro, calcio, vitamina C, clorofilla: ottima in cucina e come tisana). L'ortica in Italia: una delle piante più diffuse e più utili dell'ecosistema. Cibo per larve di farfalle (Vanessa io, Aglais urticae, Polygonia c-album), fonte di fibre tessili storiche (la canapa dell'ortica: con cui si producevano corde prima dell'adozione del cotone), alimento tradizionale (risotto con ortica, frittata, minestra).