¿Por qué el pez cebra tiene rayas? Un modelo matemático explica el patrón

Las rayas son comunes en nuestras vidas. Es un patrón bastante básico, y fácil de dar por sentado.

Sin embargo, como matemático aplicado que estudia cómo se forman los patrones en la naturaleza, me cautivaron los patrones a rayas que el pez cebra lleva sobre su cuerpo y aletas.

Eche un vistazo más de cerca a las franjas negras y doradas de pez cebra, y verá células de pigmento de diferentes colores, decenas de miles de ellas. Me gusta imaginar estas células como personas que caminan por una habitación llena de gente: al igual que nosotros, las células se mueven e interactúan con sus vecinos. Aparecen rayas porque las celdas se instruyen y señalan con mucho cuidado sobre cómo comportarse. Incluso "dan la mano" en cierto sentido al alcanzar células distantes.

Desde una perspectiva matemática, las rayas de pez cebra caen en el campo de la autoorganización, un fenómeno en el que los individuos interactúan para producir un patrón mucho más grande que cualquier individuo, sin dirección externa. Las bandadas de aves y los peces en la escuela también son ejemplos de autoorganización en la naturaleza. No hay nadie en un megáfono que diga direcciones para que las aves de las parvadas o las células pigmentarias produzcan franjas de peces, sin embargo, sorprendentemente, ambas se organizan para crear patrones.

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Hasta hace poco, la comunidad de investigadores pensaba que solo dos tipos de células estaban involucradas en las rayas de pez cebra: rayas negras y doradas, así como células negras y doradas. Sin embargo, los experimentos demostraron que un tercer tipo de célula pigmentaria, los iridóforos azules y plateados, es fundamental para la formación de patrones. ¡Retíralo de la piel, y el pez cebra tiene manchas!

Entonces, ¿cómo miles de células de diferentes colores en un pez cebra en crecimiento trabajan juntas para formar rayas consistentemente? Para ayudar a responder esta pregunta, desarrollé un modelo matemático en colaboración con el profesor de matemáticas aplicadas Bjorn Sandstede. En nuestro modelo, las células pigmentarias son puntos de colores que siguen las reglas y ecuaciones prescritas sobre cómo se mueven, interactúan y cambian de color. Las células con diferentes colores se comportan de diferentes maneras. Hay muchas preguntas sobre el pez cebra, así que decidimos centrarnos en los recién llegados a la escena: esas molestas celdas azules y plateadas.

Las matemáticas ofrecen una perspectiva diferente de los experimentos biológicos típicos en peces. Los biólogos pueden observar cómo se comportan las células, pero es más difícil deducir las señales detrás de su comportamiento. Usando modelos matemáticos, podemos probar muchas posibles interacciones celulares y sugerir cuáles son realmente capaces de explicar los comportamientos que observan los biólogos. Los biólogos pueden entonces probar nuestras predicciones sobre peces reales.

Nuestro modelo sugiere que hay múltiples señales en el trabajo que instruyen a las células plateadas y azules en la piel de los peces. Todas estas señales son redundantes. Unas pocas indicaciones son todas las instrucciones que una célula puede necesitar en un mundo perfecto, pero el mundo no es perfecto. Por ejemplo, pensamos que las células negras cercanas indican a los iridóforos que cambien su densidad y color. Pero si no hay celdas negras alrededor para transmitir esa señal, las celdas doradas distantes pueden completar y proporcionar las mismas instrucciones.

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Puede pensar en estas señales redundantes como un grupo de diferentes relojes de alarma. Si tiene una reunión importante por la mañana, puede programar un reloj de alarma, colocar una notificación en su teléfono y solicitar una llamada de atención. Toda esa redundancia significa que probablemente obtendrás un montón de señales para despertarte. Pero en la posibilidad remota de que su teléfono se apague o la recepción se olvide de llamar, también significa que todavía llegará a su reunión a tiempo. La redundancia garantiza el resultado deseado, incluso si falla una señal.

La misma idea puede estar en el trabajo en el pez cebra. Nuestro modelo sugiere que las células de diferentes colores se están instruyendo constantemente entre sí. Esto asegura que los iridóforos azules y plateados sean golpeados con direcciones desde todos los lados sobre cómo comportarse. Debido a que hay múltiples señales, los fallos ocasionales no interrumpen demasiado los patrones. El resultado: rayas fiables.

¿Porque es esto importante? Los genes del pez cebra son sorprendentemente similares a los genes humanos. Al comprender cómo interactúan las células pigmentarias en el pez cebra normal y mutado, los investigadores pueden comenzar a vincular los genes con su función.

La historia de cómo se forman los patrones de pez cebra aún no está terminada. Por ahora, sin embargo, la próxima vez que vea un pez rayado, considere detenerse un momento para reconocer todo el trabajo de las células de pigmento en la creación de ese patrón. Esas rayas confiables son bastante increíbles.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation por Alexandria Volkening. Lee el artículo original aquí.