Diseño, color y simetría a lo bestia

Por Aketzalli González

Ciudad de México. 8 de octubre de 2018 (Agencia Informativa Conacyt).- Algunas de las formas más fascinantes de la naturaleza se encuentran en los patrones de pigmentación de los animales. Su simplicidad geométrica emerge de procesos complejos involucrados con la epigenética, ciencia que estudia la relación de los genes con el ambiente. 

La doctora en ciencias Lorena del Carmen Caballero Coronado, investigadora del Instituto de Ciencias de la Complejidad de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), trabaja en el diseño de modelos matemáticos que consideran los fenómenos evolutivos, genéticos y procesos físicos, implicados en la manifestación de dichos patrones. 

Como parte de su tesis doctoral, asesorada por el doctor Germinal Cocho Gil, del Instituto de Física de la UNAM, consolidó un artículo llamado “Un modelo epigenético para el patrón de pigmentación basado en las interacciones celulares y mecánicas”, publicado en 2012 en Journal of Experimental Zoology.

La publicación fue elogiada por James Murray, matemático inglés y profesor emérito de las universidades de Washington y de Oxford, reconocido por muchos como uno de los padres contemporáneos de la biología matemática.

“El trabajo fue una búsqueda para entender cómo emergen los patrones en la naturaleza. Siempre me pareció interesante la presencia de formas geométricas que se asemejan a otras estructuras que no son biológicas”, indicó la doctora en entrevista para la Agencia Informativa Conacyt.

El modelo teórico ayuda a aproximarnos a la comprensión de las interacciones celulares, proteicas de redes genéticas y leyes físicas en el desarrollo. Tal como una orquesta compuesta de varios elementos que establecen una dimensión de sinfonías complejas como lo es la naturaleza.

Simetría animal

Los patrones son estructuras bidimensionales ordenadas en diferentes escalas y niveles de organización. Pueden presentarse a nivel microscópico en las partículas, átomos, células, y macroscópico como en los tejidos, ecosistemas, galaxias.

Doctora Lorena Caballero Coronado.Basta observar las bandas de las dunas del desierto y las franjas de las cebras o piel moteada de algunos mamíferos, para encontrar patrones en objetos inanimados o en organismos vivos. Dicha formación nos hace preguntarnos si obedece a alguna ley común.

La doctora Lorena Caballero explicó que en el caso de los organismos vivos, la biología evolutiva por selección natural, explica que dichos patrones son resultado de la selección natural con importancia en procesos adaptativos del organismo; sin embargo, no establece cómo la selección natural conforma y establece el patrón.

“La emergencia de la forma es una pregunta importante para la biología evolutiva. Si logramos descubrir cosas generales de la forma, podemos hacer extrapolaciones interesantes”.

Las primeras pistas del origen de estos patrones las encontramos en la física, que explica cómo los cúmulos de células pueden diferenciarse y establecer un patrón en la piel de los animales.

“Los seres vivos somos sistemas complejos formados por sistemas celulares que funcionan como sistemas físicos. Al conjuntar las distintas variables que intervienen en el sistema, nos permite tener mayor amplitud de las interacciones que tratamos”.

Una de las primeras propuestas fue hecha por el matemático Alan Turing en su artículo “La base química de la morfogénesis”. En su trabajo estableció las bases de la morfogénesis para entender cómo se pueden formar patrones químicos espaciales y su relación con los observados en la naturaleza.

La morfogénesis (del griego morphê, forma, y genĕsis, creación) describe el origen de la forma, proceso celular por el cual se desarrolla y se diferencian los órganos de un embrión.

Turing propuso que la generación de forma y orden en un ser vivo puede relacionarse directamente con el orden generado con un prepatrón químico.

La doctora Lorena Caballero explicó que la biología trabaja con la teoría de la evolución para explicar el origen de la forma. Sin embargo, en su estudio exploró cómo las restricciones de la materia influyen en el origen de las formas vivas.

“Mi trabajo lo hice desde la física utilizando un modelo matemático y buscando las razones biológicas de este problema. Normalmente en la biología las restricciones de la materia son cuestiones que no podemos evitar, o externas. En mi trabajo, las fuerzas físicas también están dentro de los sistemas biológicos y definen muchas características”.

El conjunto de las restricciones de la física y los mecanismos biológicos es lo que emerge en una estructura biológica evolutiva, y a través de ellos puede entenderse el origen de las formas vivas desde una visión más compleja.

Serpientes en el laboratorio

“No se pueden resolver todas las variables, pero podemos entender algunas fundamentales o básicas. En mi trabajo intenté ver las interacciones celulares que definían la interacción en el patrón. Entonces busqué todas las interacciones entre células, en el medio ambiente y la dinámica celular”, señaló la doctora Lorena Caballero Coronado.

El modelo fue centrado en vertebrados, específicamente en las serpientes y considera que los aspectos epigenéticos involucrados en la morfogénesis son la migración celular, la interacción tejido-célula, célula-célula, interacciones celulares con el ambiente y fenómenos físicos (mecanismos de tensión superficial, adhesividad, atracción y repulsión).

“Me centré en las serpientes porque tienen un cuerpo cilíndrico, matemáticamente es muy simple la morfología de una serpiente. Utilicé ejemplos de las formas desarrolladas en su piel. Traté de buscar formas genéricas, como las bandas verticales, horizontales, manchas redondas, rombos y otras complejidades de la interacción de estas manchas. Pero no me centré en una especie, sino en un grupo genérico de manchas”.

En ese tejido, las células que contienen pigmento, conocidas como cromatóforos, migran y se adhieren, lo que hace que reorienten las fibras del mesénquima y deformen el tejido hasta originar líneas de tensión, dice el artículo.

Estas líneas se convierten en guías para la subsecuente migración y acumulación de más células, lo que a la larga puede resultar en la expresión de patrones de color.

En lo anterior, la especialista planteó que los procesos inician en una matriz fibrosa y viscoelástica conocida como tejido mesenquimal, del cual se formarán otros tejidos, órganos cardiovasculares y vasos sanguíneos.

En el tejido, las células migran y se mueven, deformándose a medida que su propio movimiento genera líneas de tensión. Estas líneas actúan como guías de la subsecuente migración y establecimiento celular, generando interacciones de corto y largo alcance.

Su trabajo describió aspectos generales de los fenómenos de desarrollo con un modelo matemático elegante y sencillo, con el fin de generar un conjunto de patrones dinámicos que pueden tener varios vertebrados durante el desarrollo embrionario.

La especialista declaró que el modelo puede usarse para explicar el patrón en otros vertebrados, aunque tendrán que considerarse las particularidades de cada organismo.

“Por ejemplo, cuando hablamos de mamíferos en esa dinámica, no solo participan células especializadas en color sino también la interacción con el pelo y hay que entender que en los mamíferos solo hay un tipo celular de pigmento, los melanocitos. En este caso, hay una dinámica distinta con diferentes redes de interacción que nos gustaría modelar más adelante”.

La complejidad evolutiva

“No todo está determinado genéticamente sino que en la interacción de los sistemas en particular surgen nuevas cosas. Hay una tendencia muy fuerte en la biología al reduccionismo. Lo que intento con mis trabajos es explicar que en la emergencia de las células surge información que no está codificada genéticamente”, señaló la experta.

Desde la licenciatura, la especialista en biología evolutiva y sistemas complejos estudia los procesos biológicos, evolutivos y físicos desde la mirada de la complejidad.

En la licenciatura y maestría estudió aspectos del pensamiento complejo en la biología y el dinamismo en la biología evolutiva y del desarrollo.

En la actualidad, trabaja en un modelo más completo, en el que sean involucrados aspectos de física y matemáticas que no pudo añadir en su propuesta del doctorado.

De igual forma, indaga en las restricciones físicas que participan en los sistemas celulares y que están relacionadas con el desarrollo de ciertas enfermedades en los seres humanos.

“Cómo las enfermedades inflamatorias crónicas, que son un problema de salud complejo, cambian las condiciones celulares, provocando a largo plazo procesos de enfermedad más graves. Me interesa la relación entre la cultura y la biología y cómo este sistema en sí complejo, influye en el desarrollo de enfermedades”.

Desde una visión extensa de la biología del desarrollo, la doctora Lorena Caballero trabaja en investigaciones implicadas en interacciones celulares, ambientales y genéticas, con el fin de descubrir aspectos relacionados con la salud. 

“Soy un alma rebelde y me gusta explorar áreas que no están bien entendidas. La visión desde la complejidad nos ha llevado a conocer cosas interesantes. Esa es una parte muy divertida. Pero también me gusta la docencia, expresar a los alumnos lo maravilloso de la naturaleza y la vida; y cómo la complejidad va modificando y cambiando nuestra idea de que la ciencia es estática e inamovible, más bien es un proceso creativo y transformador”, concluyó.

  

Descargar fotografías.

Ver texto en pdf.

 

Esta obra cuyo autor es Agencia Informativa Conacyt está bajo una licencia de Reconocimiento 4.0 Internacional de Creative Commons.

---