A la naturaleza no le faltan patrones, desde manchas en leopardos hasta rayas en cebras y hexágonos en peces cofre. Pero sigue siendo difícil encontrar una explicación completa de cómo se forman estos patrones.
Ahora, ingenieros de la Universidad de Colorado Boulder han demostrado que el mismo proceso físico que ayuda a eliminar la suciedad de la ropa podría influir en la forma en que los peces tropicales obtienen sus rayas y manchas de colores. Sus hallazgos fueron publicados el 8 de noviembre en la revista Science Advances.
“Muchas preguntas biológicas son fundamentalmente la misma pregunta: ¿Cómo desarrollan los organismos patrones y formas complicados cuando todo comienza a partir de un grupo esférico de células?”, dijo Benjamin Alessio, primer autor del artículo e investigador universitario en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica. “Nuestro trabajo utiliza un mecanismo físico y químico simple para explicar un fenómeno biológico complicado”.
Los biólogos han demostrado anteriormente que muchos animales evolucionaron hasta tener patrones de pelaje para camuflarse o atraer parejas. Si bien los genes codifican información sobre patrones como el color de las manchas de un leopardo, la genética por sí sola no explica dónde se desarrollarán exactamente las manchas, por ejemplo.
En 1952, antes de que los biólogos descubrieran la estructura de doble hélice del ADN, Alan Turing, el matemático que inventó la informática moderna, propuso una audaz teoría sobre cómo los animales obtenían sus patrones. Turing planteó la hipótesis de que a medida que los tejidos se desarrollan, producen agentes químicos. Estos agentes se difunden a través del tejido en un proceso similar a agregar leche al café. Algunos de los agentes reaccionan entre sí formando manchas. Otros inhiben la propagación y reacción de los agentes, formando espacios entre las manchas. La teoría de Turing sugería que, en lugar de procesos genéticos complejos, este simple modelo de reacción-difusión podría ser suficiente para explicar los conceptos básicos de la formación de patrones biológicos.
“Seguramente el mecanismo de Turing puede producir patrones, pero la difusión no produce patrones nítidos”, dijo el autor correspondiente Ankur Gupta, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica. Por ejemplo, cuando la leche se difunde en el café, fluye en todas direcciones con un contorno borroso.
Cuando Alessio visitó el Acuario Birch en San Diego, quedó impresionado por la nitidez del intrincado patrón del pez cofre: está hecho de un punto púrpura rodeado por un distintivo contorno amarillo hexagonal con un grueso espacio negro en el medio. Pensó que la teoría de Turing por sí sola no sería capaz de explicar los contornos nítidos de estos hexágonos. Pero el patrón le recordó a Alessio las simulaciones por computadora que había estado realizando, donde las partículas forman franjas muy definidas. Alessio, miembro del grupo de investigación Gupta, se preguntó si el proceso conocido como difusioforesis desempeña un papel en la formación de patrones naturales.
La difusioforesis ocurre cuando una molécula se mueve a través de un líquido en respuesta a cambios, como diferencias de concentración, y acelera el movimiento de otros tipos de moléculas en el mismo entorno. Si bien puede parecer un concepto oscuro para los no científicos, en realidad así es como se limpia la ropa.
Un estudio reciente demostró que enjuagar la ropa empapada en jabón en agua limpia elimina la suciedad más rápido que enjuagar la ropa empapada en jabón en agua con jabón. Esto se debe a que cuando el jabón se difunde fuera de la tela y pasa al agua con menor concentración de jabón, el movimiento de las moléculas de jabón extrae la suciedad. Cuando la ropa se pone en agua con jabón, la falta de diferencia en la concentración de jabón hace que la suciedad permanezca en su lugar. El movimiento de las moléculas durante la difusioforesis, como observaron Gupta y Alessio en sus simulaciones, siempre sigue una trayectoria clara y da lugar a patrones con contornos nítidos.
Para ver si puede desempeñar un papel en dar a los animales sus patrones vívidos, Gupta y Alessio realizaron una simulación del patrón hexagonal morado y negro que se ve en la piel ornamentada del pez cofre usando solo las ecuaciones de Turing. La computadora produjo una imagen de puntos púrpuras borrosos con un contorno negro tenue. Luego, el equipo modificó las ecuaciones para incorporar la difusioforesis. El resultado resultó ser mucho más similar al patrón hexagonal bicolor brillante y nítido que se ve en el pez.
La teoría del equipo sugiere que cuando los agentes químicos se difunden a través del tejido como describió Turing, también arrastran consigo células productoras de pigmentos a través de la difusioforesis, al igual que el jabón quita la suciedad de la ropa. Estas células pigmentarias forman manchas y rayas con un contorno mucho más nítido.
Décadas después de que Turing propusiera su teoría fundamental, los científicos han utilizado el mecanismo para explicar muchos otros patrones en biología, como la disposición de los folículos pilosos en los ratones y las crestas en el paladar de los mamíferos. Gupta espera que su estudio, y más investigaciones en curso por parte de su grupo de investigación, también puedan mejorar la comprensión de la formación de patrones, inspirando a los científicos a desarrollar materiales innovadores e incluso medicamentos.
“Nuestros hallazgos enfatizan que la difusioforesis puede haber sido subestimada en el campo de la formación de patrones. Este trabajo no sólo tiene potencial para aplicaciones en los campos de la ingeniería y la ciencia de materiales, sino que también abre la oportunidad de investigar el papel de la difusioforesis en procesos biológicos, como como la formación de embriones y la formación de tumores”, afirmó Gupta.
Fuente: Phys.org.
