Los patrones de piel de los animales es una cuestión de física

Bruno I. Scollo

Los patrones en la piel de los animales, como las rayas de cebra y las manchas de color de rana venenosa, cumplen diversas funciones biológicas, incluida la regulación de la temperatura, el camuflaje y las señales de advertencia . Los colores que componen estos patrones deben ser distintos y estar bien separados para que sean efectivos. Por ejemplo, como señal de advertencia, los colores distintos los hacen claramente visibles para otros animales. Y como camuflaje, los colores bien separados permiten que los animales se mezclen mejor con su entorno.

En nuestra investigación recientemente publicada en Science Advances, mi alumno Ben Alessio  y yo proponemos un mecanismo potencial que explica cómo se forman estos patrones distintivos, que podría aplicarse potencialmente a diagnósticos médicos y materiales sintéticos.

Un experimento mental puede ayudar a visualizar el desafío de lograr patrones de color distintivos. Imagínese agregar suavemente una gota de tinte azul y rojo a una taza de agua. Las gotas se dispersarán lentamente por el agua debido al proceso de difusión, donde las moléculas se mueven de un área de mayor concentración a una de menor concentración. Con el tiempo, el agua tendrá una concentración uniforme de tintes azules y rojos y se volverá violeta. Por tanto, la difusión tiende a crear uniformidad de color.

Naturalmente surge una pregunta: ¿Cómo se pueden formar patrones de color distintos en presencia de difusión?

Movimiento y límites

El matemático Alan Turing abordó por primera vez esta cuestión en su artículo fundamental de 1952, " La base química de la morfogénesis ". Turing demostró que, en condiciones adecuadas, las reacciones químicas implicadas en la producción de color pueden interactuar entre sí de forma que contrarresten la difusión. Esto hace posible que los colores se autoorganicen y creen regiones interconectadas con diferentes colores, formando lo que ahora se llaman patrones de Turing.

Sin embargo, en los modelos matemáticos, los límites entre las regiones de color son borrosos debido a la difusión. Esto es diferente a lo que ocurre en la naturaleza, donde los límites suelen ser nítidos y los colores están bien separados.

Nuestro equipo pensó que una pista para descubrir cómo los animales crean patrones de color distintivos podría encontrarse en experimentos de laboratorio con partículas del tamaño de una micra, como las células involucradas en la producción de los colores de la piel de un animal. Mi trabajo y el de otros laboratorios encontraron que las partículas del tamaño de una micra forman estructuras en bandas cuando se colocan entre una región con una alta concentración de otros solutos disueltos y una región con una baja concentración de otros solutos disueltos.

En el contexto de nuestro experimento mental, los cambios en la concentración de tintes azules y rojos en el agua pueden impulsar a otras partículas en el líquido a moverse en ciertas direcciones. A medida que el tinte rojo se mueve hacia un área donde se encuentra en una concentración más baja, las partículas cercanas serán arrastradas con él. Este fenómeno se llama difusioforesis.

Te beneficias de la difusioforesis cada vez que lavas la ropa : las partículas de suciedad se alejan de la ropa a medida que las moléculas de jabón se difunden desde la camisa hacia el agua.

Trazando límites definidos

Nos preguntamos si los patrones de Turing compuestos por regiones de diferencias de concentración también podrían mover partículas del tamaño de una micra. Si es así, ¿los patrones resultantes de estas partículas serían nítidos y no borrosos?

Para responder a esta pregunta, realizamos simulaciones por computadora de patrones de Turing (incluidos hexágonos, rayas y puntos dobles) y descubrimos que la difusioforesis hace que los patrones resultantes sean significativamente más distintivos en todos los casos. Estas simulaciones de difusioforesis pudieron replicar los intrincados patrones en la piel del pez cofre adornado y de la morena joya, lo cual no es posible solo con la teoría de Turing.

Para respaldar aún más nuestra hipótesis, nuestro modelo pudo reproducir los hallazgos de un estudio de laboratorio sobre cómo la bacteria E. coli mueve la carga molecular dentro de sí misma. La difusioforesis dio como resultado patrones de movimiento más nítidos, lo que confirma su papel como mecanismo físico detrás de la formación de patrones biológicos.

Debido a que las células que producen los pigmentos que forman los colores de la piel de un animal también tienen un tamaño de micras, nuestros hallazgos sugieren que la difusioforesis puede desempeñar un papel clave en la creación de patrones de color distintivos en general en la naturaleza.

Aprendiendo el truco de la naturaleza

Comprender cómo la naturaleza programa funciones específicas puede ayudar a los investigadores a diseñar sistemas sintéticos que realicen tareas similares.

Los experimentos de laboratorio han demostrado que los científicos pueden utilizar la difusioforesis para crear filtros de agua sin membrana y herramientas de desarrollo de fármacos de bajo costo.

Nuestro trabajo sugiere que la combinación de las condiciones que forman los patrones de Turing con la difusioforesis también podría formar la base de parches cutáneos artificiales. Al igual que los patrones adaptativos de la piel en los animales, cuando los patrones de Turing cambian (por ejemplo, de hexágonos a rayas), esto indica diferencias subyacentes en las concentraciones químicas dentro o fuera del cuerpo.

Los parches cutáneos que pueden detectar estos cambios podrían diagnosticar afecciones médicas y controlar la salud de un paciente detectando cambios en los marcadores bioquímicos. Estos parches cutáneos también podrían detectar cambios en la concentración de sustancias químicas nocivas en el medio ambiente.

El trabajo por delante

Nuestras simulaciones se centraron exclusivamente en partículas esféricas, mientras que las células que crean pigmentos en la piel tienen diferentes formas. El efecto de la forma en la formación de patrones intrincados aún no está claro.

Además, las células pigmentarias se mueven en un entorno biológico complicado. Se necesita más investigación para comprender cómo ese entorno inhibe el movimiento y potencialmente congela los patrones en su lugar.

Además de los patrones de la piel de los animales, los patrones de Turing también son cruciales para otros procesos como el desarrollo embrionario y la formación de tumores . Nuestro trabajo sugiere que la difusioforesis puede desempeñar un papel subestimado pero importante en estos procesos naturales.

Estudiar cómo se forman los patrones biológicos ayudará a los investigadores a acercarse un paso más a imitar sus funciones en el laboratorio, un esfuerzo ancestral que podría beneficiar a la sociedad.

Fuente: https://theconversation.com/how-animals-get-their-skin-patterns-is-a-matter-of-physics-new-research-clarifying-how-could-improve-medical-diagnostics-and-synthetic-materials-217035