En la naturaleza podemos encontrar patrones fascinantes, desde las manchas de los leopardos hasta las rayas en las cebras… Te has preguntado alguna vez ¿cómo se crean esos patrones tan característicos de cada especie? Bien, un equipo de investigadores de la Universidad de Colorado Boulder identificó un proceso físico que podría explicar cómo se forman estos diseños. Este hallazgo, publicado el 8 de noviembre de 2023 en el journal Science Advances, combina biología y física para desentrañar estos fantásticos patrones naturales.
El estudio que conecta patrones biológicos y procesos físicos
Un equipo liderado por Ankur Gupta, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad de Colorado Boulder, investigó cómo se forman patrones biológico. La duda primordial que incentivó este estudio ¿cómo los organismos complejos desarrollan patrones intrincados desde un grupo esférico de células? Se preguntó Benjamin Alessio, estudiante de pregrado y primer autor del estudio.
Inspirados por la teoría del matemático y biólogo británico, Alan Turing de 1952 sobre la formación de patrones, los investigadores notaron que este modelo de reacción-difusión no explica patrones nítidos, como los hexágonos del pez cofre. Durante una visita al Acuario Birch en San Diego, Alessio identificó una posible conexión entre estos patrones y el fenómeno conocido como difusioforesis.
La difusioforesis ocurre cuando las diferencias en la concentración de moléculas generan movimiento en otras. Dicho proceso no solo es responsable de patrones agudos en simulaciones por computadora, sino que también de la limpieza de la ropa: cuando las moléculas de jabón arrastran la suciedad hacia áreas de menor concentración.
Cuando incorporaron este concepto a las ecuaciones de Turing se produjeron patrones que imitan fielmente los vistos en peces tropicales, demostrando que ambos mecanismos podrían interactuar en la naturaleza.
La teoría de Turing y la precisión de los patrones naturales
En su teoría, Alan Turing propuso que los patrones biológicos podrían surgir de agentes químicos que se esparcen y reaccionan entre sí en los tejidos animales. Sin embargo, dicho modelo produce líneas y manchas con contornos difusos. Para entender patrones más definidos, como el que se observa en los peces cofre, estos investigadores modificaron el modelo clásico.
Sus simulaciones hechas en computadora mostraron que agregar el fenómeno de difusioforesis al modelo de Turing cambió drásticamente los resultados. Las células productoras de pigmentos, que generan colores en la piel, son arrastradas por los agentes químicos en un movimiento definido, creando así contornos más precisos.
Este descubrimiento sugiere que la combinación de ambos procesos podría explicar cómo se forman patrones intrincados en los animales, desde las manchas en las jirafas hasta los hexágonos de los peces.
Este estudio también indicó que la difusioforesis podría tener aplicaciones más allá de la biología. Estos patrones observados podrían inspirar avances en ciencia de materiales y medicina, como el diseño de estructuras precisas en tejidos artificiales o tratamientos para enfermedades complejas.
Impacto del descubrimiento en la biología y la ciencia
Esta investigación también subraya la importancia de la difusioforesis como mecanismo poco explorado en la biología. Además de los patrones visibles en la piel de animales, este estudio podría ayudar a entender otros procesos biológicos esenciales, como la formación de embriones o incluso tumores.
“Muchos patrones naturales son demasiado complejos para ser explicados solo por la genética”, explica Ankur Gupta. Su equipo demostró que los movimientos químicos que subyacen a la difusioforesis podrían ser responsables de fenómenos que antes no habían sido considerados. Este enfoque también plantea nuevas oportunidades para desarrollar tecnologías innovadoras.
La investigación también resalta la importancia de la colaboración entre campos como la biología, la ingeniería química y las ciencias computacionales. Al combinar conocimientos de estas áreas, estos investigadores han podido responder preguntas que antes parecían díficiles de abordar.
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