En qué se relacionan las rayas y manchas de los peces con un proceso físico que ocurre al lavar la ropa

En su artículo fundamental, Alan Turing propuso que las inestabilidades de reacción-difusión podrían dar lugar a la formación de patrones en sistemas biológicos, un fenómeno ahora conocido como patrones de Turing. Investigaciones posteriores han proporcionado evidencia experimental de su existencia en una variedad de contextos biológicos, entre ellos cuestiones como el espaciamiento de los folículos pilosos, los patrones encontrados en el pez cebra y el desarrollo de los dedos a partir de las primeras yemas de las extremidades.

Los avances teóricos han llevado al desarrollo de modificaciones al modelo original. Estos nuevos paradigmas y sus derivados se han utilizado para reproducir una amplia gama que se encuentran en la naturaleza, desde los patrones en forma de ondas en el pez ángel marino, hasta las forma de rayas en el pez cebra e incluso las líneas de las conchas marinas.

Con esto en mente, ingenieros de la Universidad de Colorado Boulder demostraron 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, según el trabajo publicado en la revista Science Advances.

En ese sentido, Benjamin Alessio, primer autor del artículo e investigador universitario en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de Colorado Boulder, señaló: “Muchas preguntas biológicas se encierran en una sola: ¿cómo desarrollan los organismos patrones y formas complicados cuando todo comienza a partir de un grupo esférico de células? 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, 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. Planteó la hipótesis de que a medida que los tejidos se desarrollan, producen agentes químicos que se difunden a través del tejido en un proceso similar a agregar leche al café. Algunos reaccionan entre sí formando manchas. Otros inhiben la propagación y reacción de los agentes, formando espacios entre ellas.

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 los produce de un modo nítido . Por ejemplo, cuando la leche se difunde en el café, fluye en todas direcciones con un contorno borroso.

Dibujando manchas y rayas

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”, relató.

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 las simulaciones por computadora que había estado realizando, donde las partículas forman franjas muy definidas. Entonces, 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 la circulación 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 se observó en las simulaciones, siempre sigue una trayectoria clara y da lugar a patrones con contornos nítidos. Además, se realizó una simulación del patrón hexagonal púrpura 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, se modificaron las ecuaciones para incorporar la difusioforesis: el resultado fue mucho más cercano al patrón hexagonal bicolor brillante y nítido que se ve en el pez.

Tras este estudio, la teoría 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.

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 la formación de embriones y de tumores.

*Ankur Gupta es autor correspondiente profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica, Universidad de Colorado, Boulder, EE.UU.