La última investigación de la Universidad de Colorado Boulder (UC Boulder) revela la causa de la "belleza imperfecta" de las manchas y rayas en los animales, proporcionando una base teórica importante para que los científicos descifren los complejos patrones de la piel en la naturaleza, y se espera que promueva el desarrollo de materiales adaptativos que cambian de color.
Las manchas y las rayas han cumplido durante mucho tiempo una variedad de funciones en la naturaleza, pero la forma exacta en que se forman estos patrones exquisitos siempre ha desconcertado a los científicos. Esta vez, el equipo de investigación combinó por primera vez simulaciones matemáticas con procesos biológicos reales para revelar cómo se generan estos patrones naturales, que parecen regulares pero siempre tienen cambios sutiles.
"La naturaleza está llena de imperfecciones", afirmó el líder del proyecto, Ankur Gupta, del Departamento de Ingeniería Química y Biológica. "Proponemos una teoría simple que explica cómo las células se ensamblan y crean diversos patrones".
Ya en 2023, el equipo propuso una nueva teoría basada en el modelo de reacción-difusión de Turing e introdujo el proceso físico de "difusioforesis" para explicar cómo las células o partículas migran a lo largo de gradientes de concentración. Este avance proporciona una base matemática para explicar la formación de patrones claros en peces tropicales, serpientes y otras especies. Sin embargo, los primeros modelos se parecen más a simulaciones físicas y aún no han simulado completamente el comportamiento de tejidos biológicos y células pigmentarias reales, ni pueden explicar que los patrones en la naturaleza no son "réplicas perfectas".
El último modelo se mejora aún más al representar células como individuos de tamaños específicos y simular su movimiento y distribución entre los tejidos. Los patrones generados por el nuevo algoritmo se acercan más a los animales reales y muestran patrones con "imperfecciones" naturales y capas ricas. Por ejemplo, las células pigmentarias no permanecen estacionarias sino que se mueven, se dividen y responden a gradientes químicos. Además, la verdadera forma del cuerpo del animal no es un plano regular, y cada curvatura y pliegue afecta la distribución de los químicos y la dirección de sus marcas. La combinación de estos mecanismos biológicos y físicos da como resultado lo que los científicos llaman "hermosa imperfección".
Gupta dijo: "Sólo hay que dar dimensiones a las células para capturar estos defectos y texturas en la naturaleza". El nuevo modelo proporciona nuevas respuestas para explicar el fenómeno de los patrones naturales ordenados pero llenos de personalidad, y puede inspirar nuevas ideas para futuros biomateriales y diseños de superficies inteligentes. En el futuro, el equipo de investigación espera simular interacciones más complejas entre células y sustancias químicas para mejorar aún más el efecto de simulación.
Gupta añadió: "Nos inspiramos en sistemas naturales imperfectos y esperamos utilizar estas cualidades para desarrollar nuevos materiales funcionales en el futuro". La investigación ha sido publicada en la revista Matter.