Un modelo matemático universal explica los patrones de la piel del surubí

Los Pseudoplatystoma pertenecen a la familia de los bagres, peces nativos de agua dulce que se distribuyen por Sudamérica. Las ocho especies que componen esta familia tiene en común que no poseen escamas, pero se distinguen fácilmente por los diseños que presentan en su piel. Fueron estos patrones, de marcas negras sobre el fondo gris y pequeñas características morfológicas, los que despertaron la curiosidad de un grupo de científicos.

Pablo Bolcatto, investigador del CONICET en el Instituto de Matemática Aplicada del Litoral (IMAL, CONICET-UNL) y uno de los que encabezó el proyecto, aclara que “no es un proyecto de investigación, es un problema que atacamos: es un buen ejemplo de un problema que se pudo abordar multidisciplinariamente”. El equipo se compuso con dos físicos y dos biólogos que elaboraron juntos la pregunta, el problema y la solución. Fueron dos años de trabajo.

Los resultados no se hicieron esperar: “Encontramos una única explicación de por qué estos peces tienen esos patrones de la piel, y propusimos un modelo matemático universal donde cambiando solo dos variables pudimos explicar todos los parámetros de coloración de las distintas especies de surubíes que hay en Latinoamérica y en el mundo”. La novedad fue publicada en la revista Scientific Reports.

Reacción y difusión de elementos químicos

“La estructura de la piel de esta especie –continúa Bolcatto- consta de dos zonas principales: la epidermis superficial y la dermis subyacente. En la interface entre ellas existen químicos -células o moléculas- que difunden y reaccionan formando dos capas que, a su vez interactúan entre sí. Dependiendo de cómo interactúan se forman puntos o manchas. Cuando no hay interacción entre las capas se forman solo puntos y cuando hay una interacción fuerte se empiezan a formar líneas, laberintos, celdas u otro tipo de figuras más complejas”.

Los científicos simularon la variación en el patrón de coloración de todas las especies conocidas de Pseudoplatystoma modificando solo los valores de dos parámetros claves: la concentración del morfógeno y la interacción entre los dos sistemas del modelo. Las diferencias evidentes y enormes entre las ocho especies se debían a una interacción simple entre las capas de células ubicadas justo debajo la epidermis y a la abundancia de un morfógeno, sustancia asociada a la concentración de pigmentación, en la capa externa de la piel.  El modelo matemático propuesto en este trabajo concluyó que existe un mecanismo único para explicar el patrón de la piel en este género.

Modelo matemático universal

Lo que aporta un modelo matemático a una investigación, es una interpretación, encontrar las propiedades fundamentales que definen un determinado problema interactuando de la manera mas simple. En este caso, señala Bolcatto, “modificando solo dos variables se pueden predecir figuras de distinto tipo. Hicimos un diagrama de fases cambiando los dos parámetros y logramos un esquema de todas las soluciones posibles. Algunas son la de los surubíes, pero cualquier cosa que tenga dos capas y tenga elementos que reaccionan o difunden, y que interactúan entre sí, van a tener ese resultado de organización geométrica, por ello es universal. El modelo no solo muestra el resultado de una observación conocida, sino que puede predecir nuevos resultados”.

La interpretación fue acompañada por observaciones de las pieles de las dos especies de la cuenca del Río Paraná, el surubí “pintado” (P. corruscans) y el “atigrado” (P. reticulatum). Este desarrollo experimental, que dio el soporte biológico a la investigación, fue realizado por el investigador Pablo Scarabotti en los laboratorios del Instituto Nacional de Limnología (INALI). Además, se utilizaron en esta etapa del trabajo, el Microscopio Confocal del CONICET Santa Fe y un laboratorio de microscopía de Oro Verde (UNER).

La importancia de la pigmentación

En estos peces, la pigmentación de la piel tiene importantes funciones biológicas, evita que la radiación dañina lastime sus tejidos vitales, y los patrones de coloración complejos pueden actuar como señales en el comportamiento social, la mímica y la exhibición sexual. “Las formas y los patrones son camuflajes para evitar predadores que vienen por arriba, ya que estos peces pescan por debajo; y al revés, la panza es blanca es porque desde abajo se confunde con la luz”, completa Bolcatto.

La historia de esta colaboración científica se remonta a 15 años atrás, momento en que Pablo Bolcatto escuchó a Rafael Barrio -coautor del paper- disertando sobre un modelo matemático aplicado a las coloraciones de peces del Caribe. Compartían un congreso de Física del Estado Sólido en Puebla, México. Bolcatto le propuso estudiar los surubíes con dicho modelo, pero el objetivo no se concretó rápidamente. Los cruces siguieron por años sin poder resolver el desafío, hasta que a principios de 2018 lo concretaron.