Ecco come si formano strisce e macchie sulla livrea degli animali

 

Gli ingegneri dell’Università del Colorado Boulder hanno dimostrato che lo stesso processo fisico che aiuta a rimuovere lo sporco dal bucato potrebbe svolgere un ruolo nel modo in cui i pesci tropicali ottengono le loro strisce e macchie colorate.

 

 

La natura non manca di motivi decorativi, dalle macchie sui leopardi alle strisce sulle zebre e agli esagoni sui pesci scatola. Ma una spiegazione completa di come si formano questi modelli è rimasta elusiva.

Ora gli ingegneri dell’Università del Colorado Boulder hanno dimostrato che lo stesso processo fisico che aiuta a rimuovere lo sporco dal bucato potrebbe svolgere un ruolo nel modo in cui i pesci tropicali ottengono le loro strisce e macchie colorate. I loro risultati sono stati pubblicati l’8 novembre sulla rivista Science Advances.

“Come fanno gli organismi a sviluppare modelli e forme complicate quando tutto inizia da un grumo sferico di cellule”, ha detto Benjamin Alessio, primo autore dell’articolo e ricercatore universitario presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica.

“Il nostro lavoro utilizza un semplice meccanismo fisico e chimico per spiegare un complicato fenomeno biologico”.

I biologi hanno precedentemente dimostrato che molti animali si sono evoluti per avere modelli di mantello per mimetizzarsi o attirare i compagni.

Mentre i geni codificano informazioni sul modello, come il colore delle macchie di un leopardo, la genetica da sola non spiega esattamente dove si svilupperanno le macchie, per esempio.

Nel 1952, prima che i biologi scoprissero la struttura a doppia elica del DNA, Alan Turing, il matematico che ha inventato l’informatica moderna, propose un’audace teoria su come gli animali ottenessero i loro modelli.

Turing ipotizzò che quando i tessuti si sviluppano, producono agenti chimici. Questi agenti si diffondono attraverso i tessuti in un processo simile all’aggiunta di latte al caffè.

Alcuni degli agenti reagiscono tra loro, formando macchie. Altri inibiscono la diffusione e la reazione degli agenti, formando spazio tra i punti.

La teoria di Turing suggeriva che invece di complessi processi genetici, questo semplice modello di reazione-diffusione potrebbe essere sufficiente per spiegare le basi della formazione di pattern biologici.

“Sicuramente il meccanismo di Turing può produrre modelli, ma la diffusione non produce disegni netti”, ha detto l’autore corrispondente Ankur Gupta, assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica.

Ad esempio, quando il latte si diffonde nel caffè, scorre in tutte le direzioni con un contorno sfocato.

Quando Alessio ha visitato il Birch Aquarium di San Diego, è rimasto impressionato dalla nitidezza dell’intricato disegno del pesce scatola: è costituito da un punto viola circondato da un distinto contorno esagonale giallo con una spessa spaziatura nera in mezzo.

La teoria di Turing da sola non sarebbe stata in grado di spiegare i contorni netti di questi esagoni, pensò. Ma il modello ricordava ad Alessio le simulazioni al computer che stava conducendo, in cui le particelle formano strisce ben definite.

Alessio, membro del gruppo di ricerca Gupta, si è chiesto se il processo noto come diffusioforesi svolga un ruolo nella formazione dei modelli della natura.

La diffusioforesi si verifica quando una molecola si muove attraverso il liquido in risposta a cambiamenti, come differenze di concentrazioni, e accelera il movimento di altri tipi di molecole nello stesso ambiente.

Anche se può sembrare un concetto oscuro per i non scienziati, in realtà è il modo in cui il bucato viene pulito.

Uno studio recente ha dimostrato che il risciacquo dei vestiti imbevuti di sapone in acqua pulita rimuove lo sporco più velocemente rispetto al risciacquo dei vestiti imbevuti di sapone in acqua saponata.

Questo perché quando il sapone si diffonde fuori dal tessuto nell’acqua con una concentrazione di sapone inferiore, il movimento delle molecole di sapone estrae lo sporco.

Quando i vestiti vengono messi in acqua saponata, la mancanza di una differenza nella concentrazione di sapone fa sì che lo sporco rimanga al suo posto.

Il movimento delle molecole durante la diffusioforesi, come osservato da Gupta e Alessio nelle loro simulazioni, segue sempre una traiettoria chiara e dà origine a pattern dai contorni netti.

Per vedere se può avere un ruolo nel dare agli animali i loro modelli vividi, Gupta e Alessio hanno eseguito una simulazione del modello esagonale viola e nero visto sulla pelle ornata del pesce scatola usando solo le equazioni di Turing.

Il computer ha prodotto un’immagine di punti viola sfocati con un debole contorno nero. Quindi il team ha modificato le equazioni per incorporare la diffusioforesi.

Il risultato si è rivelato molto più simile al motivo esagonale bicolore luminoso e nitido visto sul pesce.

La teoria del team suggerisce che quando gli agenti chimici si diffondono attraverso i tessuti, come descritto da Turing, trascinano con sé anche le cellule produttrici di pigmenti attraverso la diffusioforesi, proprio come il sapone estrae lo sporco dal bucato. Queste cellule pigmentate formano macchie e strisce con un contorno molto più nitido.

Decenni dopo che Turing ha proposto la sua teoria fondamentale, gli scienziati hanno usato il meccanismo per spiegare molti altri modelli in biologia, come la disposizione dei follicoli piliferi nei topi e le creste nel tetto della bocca dei mammiferi.

Gupta spera che il loro studio, e altre ricerche in corso da parte del suo gruppo di ricerca, possano anche migliorare la comprensione della formazione dei modelli, ispirando gli scienziati a sviluppare materiali innovativi e persino farmaci.

“I nostri risultati sottolineano che la diffusioforesi potrebbe essere stata sottovalutata nel campo della formazione dei modelli. Questo lavoro non solo ha il potenziale per applicazioni nei campi dell’ingegneria e della scienza dei materiali, ma apre anche l’opportunità di studiare il ruolo della diffusioforesi nei processi biologici, come la formazione dell’embrione e la formazione del tumore”, ha detto Gupta.

 

Immagine: Benjamin Alessio/University of Colorado Boulder