Formación de patrones biológicos mediante señales pulsadas

• Alan Turing describió por primera vez cómo aparecían los patrones regulares que se encuentran en los seres vivos, como por ejemplo las rayas de las cebras.

• Un estudio en colaboración entre el IFISC y la Universidad de Princeton plantea un mecanismo alternativo para explicar esta formación de patrones.

 Entender cómo se generan formas regulares (patrones) en la naturaleza es una cuestión clave, ya que estas tienen una gran influencia sobre la funcionalidad, resiliencia y propiedades de los organismos y sus agregaciones. Estructuras de características tan diversas como los dibujos en el caparazón de un insecto, las rayas de una cebra o los cultivos de bacterias han sido objeto de análisis durante décadas, principalmente con la intención de entender cómo se generan.

Un reciente estudio en el que han colaborado Eduardo Colombo, de la Universidad de Princeton en los Estados Unidos junto a Cristóbal López y Emilio Hernández-García, del IFISC (UIB-CSIC), ha identificado un nuevo mecanismo de formación de patrones en contextos biológicos. El trabajo, publicado en Physical Review Letters, plantea un modelo matemático en el que estos patrones emergen a partir de la interacción de organismos que se comunican mediante la emisión intermitente de señales nocivas.

En los años 50 del siglo pasado el matemático británico Alan Turing encontró un mecanismo muy general capaz de explicar algunos de los patrones que se encuentran en la Naturaleza. Sin embargo, este mecanismo no estaba necesariamente ligado a la actividad vital, con lo que ha sido igualmente aplicado a entender otras estructuras que aparecen espontáneamente en sistemas inertes, como reacciones químicas, dispositivos ópticos, mecánicos, etc. En esencia, el proceso de Turing consiste en la competición entre una sustancia que tiende a multiplicarse, y que a su vez genera otra sustancia capaz de eliminar la primera de manera poco eficiente, pero teniendo una mayor movilidad y por tanto ocupando lugares donde la primera sustancia todavía no ha llegado. Tras 70 años de investigación se han identificado centenares de sistemas físicos, químicos y biológicos que se pueden explicar mediante el proceso de Turing con algunas variaciones.

El nuevo mecanismo planteado en este estudio también necesita de dos tipos de sustancias, una de ellas capaz de eliminar la otra, que es quien la produce. La novedad del modelo radica en que la producción de esta segunda sustancia se realiza de manera pulsada, intermitente. También es necesario que la sustancia producida se propague por el espacio de cierta forma, por ejemplo tal como se propagan los líquidos en medios porosos. En esas situaciones, en casos en que el mecanismo de Turing no es capaz de generar estructuras, y las sustancias se distribuirían homogéneamente en el espacio, la producción intermitente desestabiliza la distribución homogénea y las sustancias se agrupan formando estructuras periódicas como franjas.

El mecanismo propuesto puede ser de relevancia en patrones en los que la interacción entre elementos se produce mediante pulsos muy cortos comparados con los procesos de reacción. Entrarían dentro de esta categoría patrones que se hallan en la química o la ecología, como por ejemplo en cultivos bacterianos donde las bacterias pueden segregar toxinas de manera intermitente.  

Colombo, Eduardo H.; Lopez, Cristobal; Hernandez-Garcia, Emilio. Physical Review Letters 130, 058401 (1-5) (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.058401