El mismo proceso físico que ayuda a eliminar la suciedad de la ropa podría explicar cómo los peces tropicales consiguen sus coloridas rayas y manchas, publica la revista ‘Science Advances’.
“Muchas cuestiones biológicas son fundamentalmente la misma pregunta: ¿Cómo desarrollan los organismos patrones y formas complicados cuando todo parte de un grupo esférico de células? –apunta en un comunicado Benjamin Alessio, primer autor del artículo e investigador del Departamento de Ingeniería Química y Biológica–. Nuestro trabajo utiliza un mecanismo físico y químico sencillo para explicar un fenómeno biológico complicado”.
Los biólogos han demostrado anteriormente que muchos animales evolucionaron para tener patrones de pelaje con el fin de camuflarse o atraer a sus parejas. Aunque 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.
La teoría de Alan Turing
Turing planteó la hipótesis de que, a medida que los tejidos se desarrollan, producen agentes químicos. Estos agentes se difunden por los tejidos en un proceso similar al de añadir leche al café. Algunos de los agentes reaccionan entre sí, formando manchas. Otros inhiben la difusión y reacción de los agentes, formando espacios entre las manchas.
La teoría de Turing sugería que, en lugar de complejos procesos genéticos, este sencillo modelo de reacción-difusión podría bastar para explicar los fundamentos de la formación de patrones biológicos.
“Sin duda, el mecanismo de Turing puede producir patrones, pero la difusión no produce patrones nítidos”, señala el autor correspondiente, Ankur Gupta, profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Química y Biológica. Por ejemplo, cuando la leche se difunde en el café, fluye en todas direcciones con un contorno difuso.
Cuando Alessio visitó el Acuario Birch de San Diego, le impresionó la nitidez del intrincado patrón del pez cofre: Está formado por un punto púrpura rodeado de un contorno amarillo hexagonal bien definido, con un grueso espacio negro intermedio.
La teoría de Turing por sí sola no podría explicar los contornos nítidos de estos hexágonos en los peces, pensó. Pero el patrón le recordó a Alessio las simulaciones por ordenador que había estado realizando, en las que las partículas sí forman franjas nítidamente definidas.
Alessio, miembro del grupo de investigación de Gupta, se preguntó si el proceso conocido como difusioforesis desempeña un papel en la formación de patrones en la naturaleza.
La difusioforesis se produce cuando una molécula se desplaza por el líquido en respuesta a cambios, como diferencias de concentración, y acelera el movimiento de otros tipos de moléculas en el mismo entorno. Aunque pueda parecer un concepto oscuro para los no científicos, en realidad es la forma en que la ropa se limpia.
El nuevo estudio
Un estudio reciente ha demostrado que aclarar la ropa enjabonada en agua limpia elimina la suciedad más rápidamente que enjuagarla en agua jabonosa. Esto se debe a que cuando el jabón se difunde fuera del tejido en agua con menor concentración de jabón, el movimiento de las moléculas de jabón extrae la suciedad. Cuando la ropa se pone en agua jabonosa, la falta de diferencia en la concentración de jabón hace que la suciedad permanezca en su sitio.
El movimiento de las moléculas durante la difusioforesis, como observaron Gupta y Alessio en sus simulaciones, sigue siempre una trayectoria clara y da lugar a patrones con contornos nítidos.
Realizaron una simulación del patrón hexagonal púrpura y negro de la piel ornamentada del pez cofre utilizando únicamente las ecuaciones de Turing. El ordenador produjo una imagen de puntos morados borrosos con un tenue contorno negro. A continuación, el equipo modificó las ecuaciones para incorporar la difusioforesis. El resultado fue mucho más similar al patrón hexagonal bicolor, brillante y nítido, observado en el pez.
La teoría del equipo sugiere que cuando los agentes químicos se difunden por los tejidos, como describió Turing, también arrastran consigo células productoras de pigmentos a través de la difusioforesis, del mismo modo que el jabón arrastra la suciedad de la colada. Estas células pigmentarias forman manchas y rayas con un contorno mucho más definido.
Décadas después de que Turing propusiera su teoría seminal, los científicos han utilizado el mecanismo para explicar muchos otros patrones de la biología, como la disposición de los folículos pilosos en los ratones y las crestas del paladar de los mamíferos.
Gupta espera que su estudio, y otras investigaciones en curso de su grupo de investigación, también puedan mejorar la comprensión de la formación de patrones, inspirando a los científicos para desarrollar materiales innovadores e incluso medicamentos.
“Nuestros hallazgos ponen de relieve que la difusioforesis puede haber sido infravalorada 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 la formación de embriones y tumores”, afirma Gupta.
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