Manchas, rayas y más: descubriendo la lógica de los patrones animales
Hace más de 70 años, el matemático Alan Turing propuso un mecanismo que explicaba cómo podían surgir patrones a partir de una uniformidad insípida. Los científicos todavía utilizan su modelo (y añaden nuevos giros) para obtener una comprensión más profunda de las marcas de los animales.
26 mayo 2024.- Hay una razón por la que los diseñadores de moda buscan inspiración en los estampados de animales. Las criaturas han desarrollado una vertiginosa variedad de patrones: rayas, manchas, diamantes, galones, hexágonos e incluso diseños laberínticos. Algunos, como los pavos reales, quieren ser vistos, atraer pareja o ahuyentar a un rival o depredador. Otros, como los tigres o las patos hembras, necesitan mezclarse, ya sea para acercarse sigilosamente a sus presas o para evitar convertirse ellos mismos en el almuerzo.
Algunos patrones surgen de forma simple o aleatoria, pero otros se desarrollan mediante interacciones complejas y precisas de sistemas generadores de patrones. Dejando a un lado su belleza, las complejidades de estos sistemas inspiran a los científicos que pretenden dilucidar cómo el tigre obtuvo sus rayas, el guepardo sus manchas y mucho más.
Gato esmoquin de pelaje negro y vientre blanco.
CRÉDITO: ADKISAAC / WIKIMEDIA COMMONS
Los mamíferos como los gatos y los perros pueden tener barrigas blancas. Los obtienen de una manera sencilla: a medida que el embrión se desarrolla , las células productoras de pigmento se originan a lo largo del sitio de la futura columna y migran hacia abajo y alrededor del abdomen. Pero a veces no llegan hasta el final. Donde las células pigmentarias pierden fuerza, comienza el color blanco.
Dos dálmatas guapos y con muchas manchas.
CRÉDITO: PHILIP WATTS / FLICKR
Los puntos negros de los dálmatas se generan aleatoriamente. También lo son las manchas negras y anaranjadas de los gatos calicó.
Una ardilla listada oriental comiendo.
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Pero las rayas de las ardillas listadas y los tigres, las motas de los peces y las gallinas, y muchas otras gloriosas características animales están plasmadas con exquisita precisión. En una notable hazaña de autoorganización, una superficie uniforme adquiere un patrón.
Alan Turing (1912-1954).
CRÉDITO: COMUNES DE WIKIMEDIA
La persona que descubrió cómo sucede esto fue Alan Turing. Quizás lo conozca como el matemático del siglo XX que descifró los códigos nazis durante la Segunda Guerra Mundial y desarrolló los primeros conceptos de inteligencia artificial. Turing también aprovechó sus habilidades matemáticas para comprender cómo podían surgir características regulares en el embrión en desarrollo. Desde entonces, los científicos han aplicado sus ecuaciones al desarrollo de patrones como las crestas de las huellas dactilares , los lugares donde brotarán los pelos y patrones de color como rayas y manchas. Y resulta que realmente estaba en algo: hoy en día, los científicos que estudian patrones animales todavía encuentran que las ideas de Turing son notablemente efectivas , especialmente cuando se combinan con otros factores que elaboran aún más los patrones.
A continuación se ofrece un colorido recorrido por lo que los científicos están aprendiendo hoy, comenzando con la teoría clásica de Turing .
Las ideas de Turing explican cómo surgen algunos patrones animales.
Un creador de puntos es la versión más básica del patrón de Turing. Se trata de dos sustancias clave, o morfógenos, como los llamó Turing, que pueden moverse a través de la piel en desarrollo. Una sustancia, el activador, se activa y también activa la otra sustancia, el inhibidor. El inhibidor bloquea el activador.
Por sí solo, ese sistema no hace mucho. Pero si las sustancias se difunden a través de los tejidos a diferentes velocidades y se introducen algunas fluctuaciones aleatorias, se puede producir un patrón de manchas estables en el pelaje, las plumas o las escamas. Digamos que el activador se activa aleatoriamente en varios lugares: se difunde desde su fuente, activando más de sí mismo y del inhibidor a medida que se mueve. Si el inhibidor se difunde más rápido que el activador, no habrá suficiente localmente para bloquear toda la actividad del activador. Esto puede dar como resultado puntos activadores estables y espaciados uniformemente rodeados por zonas de inhibidor.
Cambiar los parámetros del sistema, como la rapidez con la que se generan o viajan los morfógenos, o el tamaño y la forma del espacio en el que se mueven, puede alterar el patrón final. Por ejemplo, la cola de un guepardo es larga y delgada; en ese espacio estrecho, las manchas se fusionan en rayas. Un mecanismo simple puede crear una variedad asombrosa, diversa y rica de patrones.
Mire este vídeo para obtener una explicación más detallada del patrón de Turing. CREDITO: MINUTE EARTHPero a veces las ideas de Turing por sí solas no son suficientes para explicar los magníficos patrones de la naturaleza. Los científicos deben convocar a actores adicionales. En lugar de simples sustancias químicas que se difunden, las propias células pueden participar en el acto. O los animales podrían necesitar trucos adicionales para transportar los morfógenos a través de los tejidos o para crear patrones nítidos y nítidos. Los científicos también ven casos vertiginosamente complejos en los que los patrones de Turing se superponen con mecanismos de patrones adicionales o tienen más de dos morfógenos que interactúan.
Los biólogos del desarrollo han descubierto algunos, pero no todos, los detalles detrás de las rayas del pez cebra.
CRÉDITO: UNIVERSIDAD ESTATAL DE OREGON / WIKIMEDIA COMMONS
El pez cebra, uno de los caballos de batalla favoritos de los biólogos del desarrollo, luce limpias rayas negras y amarillas desde la cabeza hasta la aleta caudal. En este caso, no son tanto las sustancias en difusión las que crean este patrón, sino interacciones más complejas entre las propias células pigmentarias . Las células son de dos tipos clave: melanóforos negros y xantóforos amarillos. A corta distancia, se matan o se repelen entre sí , una rivalidad que los separa en distintas franjas a lo largo del cuerpo del pez. Pero al mismo tiempo, las células negras morirán si no reciben alguna sustancia, aún no identificada, de las células amarillas. Por lo tanto, permanecen a una distancia segura.
Las células negras del pez cebra extienden proyecciones para obtener alguna sustancia necesaria de sus células amarillas.
CRÉDITO: LB PATTERSON & DM PARICHY / AR GENETICS 2019
Según la teoría de Turing, la sustancia que las células negras necesitan de las células amarillas llegaría por difusión, pero hay un problema. Las células amarillas tendrían que cruzar distancias molecularmente vastas (más de 200 micrómetros, o la longitud de unas 20 células) para llegar a las células negras. Eso es demasiado para que la difusión sea eficiente. Los científicos encontraron la solución del pez cebra en apéndices largos y delgados en los que las células negras se extienden hacia las áreas amarillas , como brazos que buscan esa sustancia necesaria. Y resulta que cuando las rayas se forman por primera vez, las células amarillas en desarrollo también hacen proyecciones hacia las células negras, generando otro factor misterioso que empuja a las células negras a formar rayas.
Todo eso está bien, pero sólo explica cómo las células minimizan las distancias que esas sustancias especiales tienen que viajar, no cómo los productos llegan de una célula a otra.
El pez cebra mutante puede tener manchas en lugar de rayas.
CRÉDITO: CAROLINECCB / FLICKR
Este extraño pez cebra sugirió una respuesta. Es una versión mutante del pez, llamado “leopardo” porque tiene manchas en lugar de rayas. El gen que está roto en el mutante participa en la creación de pequeños canales , llamados uniones comunicantes, entre las células. Por lo tanto, es posible que el pez necesite no sólo largas extremidades celulares sino también uniones hendidas para mover las sustancias que crean las rayas.
Un pollo mezclado con Dark Cornish se raspa.
CRÉDITO: NORMANACK / FLICKR
Algunas aves también parecen utilizar proyecciones celulares delgadas y uniones hendidas en sus patrones. Los científicos han descubierto que ambas características están involucradas en las rayas de la cabeza a la cola de la codorniz japonesa . Cuando los investigadores cultivaron piel de codorniz en un plato, se formaron rayas amarillas y negras visibles, pero las rayas amarillas se volvieron muy delgadas cuando las uniones se cerraron con un inhibidor químico. Las uniones gap también contribuyen a la compleja mutación del rayado de las plumas conocida como melanótica en los pollos . Leif Andersson, genetista de la Universidad de Uppsala en Suecia y coautor del estudio sobre pollos, cree que puede haber algún morfógeno desconocido que viaja (o no logra viajar) a través de las uniones para crear los patrones de las plumas.
Un pez cofre adornado tiene una definición notablemente nítida de su patrón.
CRÉDITO: imogenisunderwater / iNATURALIST
El ornamentado pez cofre con sus nítidos hexágonos parece tener su propia solución al problema de la difusión. Presumiblemente, si los morfógenos que controlan su patrón tuvieran que difundirse a través de los tejidos, no podrían crear líneas tan claras y angulares. Piense en un tinte que se esparce en un líquido espeso: las gotas de diferentes colores eventualmente se convertirían en manchas borrosas.
Un pez cofre (fila superior) exhibe un patrón nítido (segunda fila). Los modelos de computadora para crear el mismo patrón salen borrosos (tercera fila), pero incluir la difusioforesis (fila inferior) mejora la resolución.
CRÉDITO: BM ALESSIO & A. GUPTA / SCIENCE ADVANCES 2023
Los patrones borrosos fueron justo lo que resultó cuando los investigadores intentaron simular patrones hexagonales en un modelo de Turing por computadora. No se parecían en nada a lo que produce la naturaleza. Pero los científicos encontraron una solución en un concepto llamado difusioforesis, en el que moléculas pequeñas empujan o atraen a las más grandes; así es como las pequeñas moléculas de jabón arrancan grandes trozos de suciedad de la ropa en la lavadora. Cuando los investigadores añadieron la difusioforesis a sus modelos, los patrones se parecían mucho más a las escamas del pez cofre , aunque todavía estaban lejos de ser perfectos.
Los investigadores sospechan que algún pequeño morfógeno de Turing está arrastrando las células pigmentarias del pez a su lugar, y que el pez también utiliza otros métodos de modelado. Por supuesto, hay otros factores que podrían estar en juego.
Las hembras de anolis marrones vienen en versiones de diamantes o chevrones, pero los machos siempre lucen chevrones.
CRÉDITO: N. FEINER ET AL / AVANCES DE LA CIENCIA 2022
Los anolis marrones que se encuentran en todo el Caribe crearon un tipo diferente de rompecabezas de Turing. Todos los machos parecen usar el mismo sastre: tienen galones oscuros en toda la espalda. Pero las mujeres vienen en dos estilos: galones como los niños, o un patrón de diamantes claros flanqueados por triángulos más oscuros. Un patrón tipo Turing podría explicar fácilmente los diamantes, con células de diferentes colores migrando hacia afuera desde el sitio donde eventualmente se formará la columna vertebral. Pero con los galones, parece que esos diamantes se están manchando hacia la cola. ¿Porque?
La genética a menudo proporciona pistas sobre los mecanismos de patrones, y Feiner descubrió las raíces de la moda anole en un gen llamado CCDC170 . Una versión del gen CCDC170 genera diamantes y otra, galones. Los diamantes dominan, por lo que cualquier mujer con al menos una versión de diamante será una espalda de diamante. Pero sucede que las mujeres producen más proteína CCDC170 en general que los hombres. Por lo tanto, incluso si los machos tienen la versión diamante del gen, no parecen ser capaces de formar un patrón de diamantes.
La función de la proteína CCDC170 también proporcionó una pista: afecta la forma en que se mueven las células . Los científicos no entienden exactamente cómo las diferentes versiones del gen cambian el patrón, pero especulan que CCDC170 podría controlar la dirección que toman las células pigmentarias a medida que migran desde la futura línea de la columna vertebral: las que se mueven hacia los lados producen diamantes y las que se mueven hacia afuera y hacia atrás al mismo tiempo creando galones.
En última instancia, los anolis utilizan la periodicidad de Turing más un mecanismo adicional: la opción de extender las células pigmentarias hacia la cola y crear algo diferente. En lugar de simplemente patrones de Turing, es Turing-plus.
Algunos peces tienen patrones de Turing complejos que parecen laberintos.
CRÉDITO: TIIA MONTO / WIKIMEDIA COMMONS
Algunos peces han encontrado otra forma de complicar la detección de Turing, mezclando dos versiones del mismo tipo de patrón de Turing: lo llaman Turing cuadrado. Los modelos informáticos predicen que una combinación de puntos negros sobre un fondo blanco más puntos blancos sobre negro debería crear una distribución laberíntica de líneas y curvas en blanco y negro.
De hecho, muchos de estos peces laberínticos existen en la naturaleza. En las familias de peces donde hay especies con ambos tipos de patrones de manchas, suele haber también una versión laberíntica . Presumiblemente, estos peces que visten formas laberínticas reflejan lo que predicen las matemáticas, un cruce entre puntos oscuros sobre luz y puntos claros sobre oscuridad.
Los científicos también están investigando cómo se establece el patrón de una criatura en las primeras etapas de su desarrollo. En muchos casos, los animales en desarrollo primero establecen un patrón previo incoloro, como las líneas de un libro para colorear. Más tarde, aparecen células pigmentarias para rellenar los colores .
Los gatos pueden servir como excelentes ejemplos gracias al trabajo de Greg Barsh, genetista del desarrollo de la Universidad de Stanford, y sus colegas. La cría de gatos por parte de personas ha creado una asombrosa variedad de apariencias : atigrados rayados y manchados, siameses de color, abisinios "marcados" con bandas de color alternas en cada mechón de pelaje, etc. En 2012, al examinar la piel de felinos en desarrollo, como los gatos domésticos atigrados y el guepardo rey con manchas audaces, los investigadores comenzaron a descubrir los elementos del prepatrón. Informaron que en los felinos se establece un patrón previo mucho antes de que las células pigmentarias lleguen a escena.
Cuando finalmente llegan esas células pigmentarias, sólo hay un tipo, un "crayón", que aparece en los mamíferos. Se llama melanocito y deposita pigmento en la piel o en las células ciliadas. Dependiendo de factores como las señales recibidas por el melanocito, puede producir dos tipos de pigmentos que producen tonos de negro/marrón o amarillo/rojo. La falta de pigmento produce blanco.
Recientemente, el equipo llevó su trabajo más allá e identificó un gen llamado Dkk4 que parece producir un inhibidor de Turing; se activa en la piel de los fetos de gato antes de que se produzca cualquier coloración.
Un gato serval salvaje (izquierda) y un abisinio (derecha).
CRÉDITOS: BUDGIEKILLER (IZQUIERDA) OLEG ROYKO (DERECHA) / WIKIMEDIA COMMONS
Los estudios genéticos de gatos adultos de patrones variados sugieren que Dkk4 normalmente actúa para promover rayas anchas. Aquí está la evidencia: los servales salvajes, que se encuentran en África, tienen dos copias normales del gen Dkk4 y tienen rayas y manchas grandes y claras, como un gato atigrado. Los felinos con un gen Dkk4 normal y otro mutante (es decir, una dosis del 50 por ciento) tienen manchas pequeñas y numerosas. Y los gatos domésticos con dos versiones rotas de Dkk4 , como los abisinios, tienen el pelaje lleno de garras. Por lo tanto, los científicos sugieren que las garrapatas del abisinio son en realidad rayas atigradas súper delgadas apretadas muy juntas en cada hebra de pelaje .
La proteína producida a partir de Dkk4 y proteínas relacionadas a menudo funcionan en conjunto con otro grupo de proteínas, las de la familia Wnt . Ambos se han relacionado con los patrones de Turing en un sistema que no está directamente relacionado con el color: en ratones, las interacciones entre Wnts como activadores y Dkks como inhibidores conducen a folículos pilosos espaciados uniformemente en la piel en desarrollo.
El ratón rayado africano sirve como un sistema conveniente para estudiar las rayas.
CRÉDITO: MARIAN OLIVER / iNATURALISTA
El ratón rayado africano también parece depender de las proteínas Wnt y Dkk, así como de otros jugadores, para delinear sus rayas de carrera parecidas a las de una ardilla listada . El patrón previo del ratón rayado (y también el de la ardilla listada) es el resultado de un sistema de Turing superpuesto con algo más: en este caso, un simple gradiente de moléculas que están presentes en grandes cantidades en la columna y cantidades inferiores hacia el vientre.
Los matemáticos habían predicho durante mucho tiempo que la superposición de un gradiente simple sobre la mancha de Turing generaría franjas alternas de motas densas o escasas. Imagine un estanque con nenúfares espaciados uniformemente (las motas) y luego deje caer una piedra en el medio. La única ola (el gradiente) que sale de la roca crearía ondas, y la mayoría, pero no todas, los nenúfares se asentarían en los valles de las ondas. En los sistemas biológicos, las matemáticas predicen que la mancha de Turing más un gradiente generaría, de manera similar, franjas con muchas motas que se alternan con franjas que tienen pocas motas.
En la piel de los ratones rayados africanos en desarrollo, esos nenúfares son como las motas donde aparecerán los folículos pilosos, gracias a las proteínas Wnt. Las motas aparecen primero en las zonas que se convertirán en franjas claras y, dos días después, en las zonas destinadas a ser oscuras. Esa distribución no es creada por la caída de una roca sino por ese gradiente añadido, una concentración menguante de varias proteínas reguladoras de Wnt desde la columna hasta el vientre. El descubrimiento en los ratones rayados fue el primer ejemplo vivo de este patrón de gradiente de Turing más que los matemáticos habían predicho durante mucho tiempo.
Así es como el ratón rayado crea el patrón previo: las líneas del libro para colorear. Los colores en sí son el resultado de otro gen que controla la maduración de los melanocitos : algunos se atascan en un desarrollo detenido y no son capaces de producir pigmento, por lo que crean rayas claras. Los que maduran rellenan las franjas oscuras.
Las ideas de Turing tienen poder de permanencia, incluso décadas después de que él las propuso. Pero no tenía toda la información, y la evolución superpuso la complejidad a sus simples activadores e inhibidores. Podríamos concluir diciendo que el patrón de Turing es definitivamente importante, pero la naturaleza es más complicada de lo que pensábamos.
Fuente: Knowable magazine
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