Las manchas redondas de los leopardos, las rayas verticales
de las cebras y los diseños geométricos característicos
de las serpientes respetan patrones de color, cuyos mecanismos de
desarrollo no han sido explicados a fondo por la biología.
Con un abordaje original desde la física de lo complejo,
Lorena Caballero Coronado, alumna doctoral de Germinal Cocho Gil,
investigador emérito del Instituto de Física (IF)
de la UNAM, ha desarrollado un modelo teórico que explica
cómo esos patrones de color siguen principios físicos
fundamentales, como la atracción-repulsión entre las
células, y la tensión-comprensión del sistema
en el que se desarrollan, el cual les da señales mecánicas
precisas de los límites de una figura o un color.
Las células de pigmento embebidas en una matriz
fibrosa durante el desarrollo embrionario, que inician la formación
de manchas y diseños coloridos, siguen esos principios físicos
básicos.
Un artículo sobre su indagación -parte de
su tesis de doctorado, y que cuenta con datos de biología
experimental en vertebrados- fue publicado en diciembre de 2012
en la revista Journal of Experimental Zoology
Al poco tiempo, Lorena recibió un correo electrónico
de James Murray, matemático inglés, profesor emérito
de las universidades de Oxford y de Washington, así como
experto en biología matemática, quien describió
su trabajo como “seminal” y “una contribución
muy importante y emocionante en el campo de la formación
de patrones biológicos”.
Bióloga egresada de la Facultad de Ciencias de esta
casa de estudios, maestra, y pronto doctora en Ciencias Biológicas
de la UNAM, Caballero Coronado obtendrá su grado con este
estudio, que sostiene que, más allá de los patrones
de color, es probable que los mecanismos físicos participen
en otros sistemas y establezcan principios generales básicos
de la morfogénesis, a partir de la interacción entre
la dinámica celular y las interacciones mecánicas.
Epigenética y sistemas complejos
“Desde la tesis de licenciatura comencé a
trabajar con sistemas complejos y su importancia en la biología.
La de maestría la hice sobre morfogénesis y laboré
con patrones para entender cómo los mecanismos físicos
y algunos modelos matemáticos simples ayudan a entender ese
proceso, y la doctoral es un trabajo más robusto sobre morfogénesis”,
explicó la estudiante asociada del IF y al Centro de Ciencias
de la Complejidad.
Los patrones en la naturaleza existen y “es algo
que podemos comprobar con investigación, pues hay regularidades
que se pueden modelar para entender mecanismos generales que vinculan
lo físico y lo biológico”, comentó.
Los seres vivos somos materia, y hemos evolucionado a partir
de ciertas restricciones o condiciones de la misma, de mecanismos
básicos y eso es lo que busco, acotó.
El trabajo de la joven científica se inscribe dentro
de la epigenética, rama que avanza la estructura y función
de los genes para considerar también factores ambientales,
fundamentales para analizar la estructura de los patrones en la
naturaleza. “Por ejemplo, la interacción entre las
células y los tejidos, y entre las primeras y el medio al
que migran, son informaciones epigenéticas, pues no están
descritas en la secuencia del ADN, pero son importantes para el
establecimiento de los patrones”, precisó.
Restricciones físicas, origen de patrones
Los patrones se desarrollan a partir de restricciones físicas,
como la minimización de energía. “Todos los
sistemas vivos gastamos la menor energía posible, esto ha
generado mecanismos que emergen de manera espontánea como
la elasticidad, la atracción y la repulsión, porque
cumplen esas condiciones físicas y facilitan algunos procesos”,
explicó.
Las manchas de color son patrones que funcionan como las
gotas de agua, pues como ellas, tienen fuerzas cohesivas que generan
su estructura. La cohesión y la adhesión suceden en
ambos casos, y es una analogía que se puede comprobar experimentalmente.
Los mecanismos de largo alcance también participan
en el desarrollo de patrones. “Son los que hacen posible,
por ejemplo, que un hígado que se regenera sepa hasta dónde
hacerlo, pues hay un control de tamaño, aunque aún
no sabemos a fondo cómo funciona”.
Las fuerzas mecánicas que ejercen las células
generan tensión en los tejidos en donde se establecen, y
eso deriva en mecanismos de largo alcance que pueden decir hasta
donde llegar, y así formar un patrón. De ese modo
establecen límites, por ejemplo, entre una mancha y otra,
o entre un color y otro.
Base fibrosa
La formación de patrones de color en la epidermis
inicia en una base fibrosa y visoelástica, llamada tejido
mesenquimal (o mesénquima), implicado en la formación
de otros tejidos, órganos cardiovasculares y vasos sanguíneos.
En el tejido mesenquimal las células que contienen
pigmento migran y se adhieren, lo que provoca que se reorienten
las fibras y deformen el tejido hasta formar líneas de tensión.
“Éstas se convierten en guías para
la siguiente migración y acumulación de más
células, lo que resulta en la expresión de patrones
de color”, finalizó.
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