¿Cómo los animales obtienen sus manchas e imperfecciones? Científicos lograron descifrarlo con un modelo inspirado en la naturaleza

Desde las rayas del tigre hasta las manchas del leopardo, los patrones animales han fascinado durante siglos a científicos y artistas. Sus formas no solo distinguen especies, sino que también revelan los procesos biológicos que las originan. Ahora, un equipo de la Universidad de Colorado en Boulder ha dado un nuevo paso para comprender cómo se forman estos diseños y por qué son tan bellamente imperfectos.

En un estudio publicado en la revista Matter, los investigadores lograron refinar su teoría sobre el origen de los patrones en los animales y recrear las irregularidades presentes en la naturaleza, como las manchas asimétricas de los leopardos. “Las imperfecciones están en todas partes en la naturaleza”, afirmó Ankur Gupta, investigador principal del Departamento de Ingeniería Química y Biológica. “Propusimos una idea simple que puede explicar cómo las células se ensamblan para crear estas variaciones”.

El nuevo modelo combina décadas de trabajo teórico con innovaciones en simulación computacional. La base de esta investigación remite a 1952, cuando el matemático británico Alan Turing propuso que los patrones biológicos emergen de la interacción de sustancias químicas que se difunden a través de los tejidos. Algunas de estas sustancias activan las células productoras de pigmento —dando origen a manchas o rayas—, mientras otras las inhiben, generando los espacios claros intermedios.

Sin embargo, los modelos basados en la hipótesis de Turing producían resultados borrosos, con bordes difusos y una homogeneidad que no se asemejaba a los diseños reales.

En 2023, Gupta y su equipo introdujeron una mejora a la teoría de Turing: el mecanismo de difusioforesis, un proceso en el que partículas en movimiento arrastran a otras consigo, del mismo modo que el jabón arrastra la suciedad al disolverse en el agua. Al aplicar este principio, los científicos lograron generar patrones más definidos, como los hexágonos púrpuras y negros del pez cofre ornamentado, una especie marina que habita cerca de Australia.

Sin embargo, los resultados iniciales eran “demasiado perfectos”. Todas las figuras tenían la misma forma y tamaño, y las distancias entre ellas eran idénticas. En la naturaleza, ningún animal posee patrones tan uniformes: las rayas de una cebra varían en grosor y las manchas de un leopardo nunca son exactamente iguales.

Para acercarse a esa autenticidad, los investigadores modificaron el modelo asignando a cada célula un tamaño definido y simulando su movimiento a través del tejido. El resultado fue sorprendente. Las nuevas simulaciones comenzaron a mostrar irregularidades, rupturas y texturas granulosas, muy similares a las observadas en los animales reales.

Gupta explicó el fenómeno con una analogía: “Imaginen pelotas de ping-pong de diferentes tamaños que viajan por un tubo. Las más grandes crearán contornos más gruesos que las pequeñas. Cuando las pelotas grandes se agrupan, forman patrones más amplios; si chocan entre sí, pueden atascar el tubo y romper una línea continua. Cuando las células experimentan eso, crean rupturas en las rayas”.

De esta forma, el simple hecho de considerar el tamaño de las células permitió a los científicos reproducir la textura y las imperfecciones naturales que caracterizan a los patrones biológicos. “Podemos capturar estas imperfecciones y texturas simplemente dándole un tamaño a las células”, señaló Gupta.

El equipo planea incorporar en el futuro interacciones más complejas entre las células y las sustancias químicas que las rodean, con el fin de perfeccionar las simulaciones. Más allá de la biología, estos hallazgos podrían tener aplicaciones en ingeniería y diseño de materiales inteligentes.

La posibilidad de entender cómo las células generan patrones abre la puerta a tecnologías que imiten la capacidad de la naturaleza para adaptarse. Según Gupta, este conocimiento podría inspirar el desarrollo de tejidos que cambien de color para camuflarse, o sistemas de liberación de medicamentos que dirijan las dosis a puntos específicos del cuerpo.

“Estamos tomando inspiración de la belleza imperfecta de los sistemas naturales y esperamos aprovechar esas imperfecciones para nuevas formas de funcionalidad en el futuro”, concluyó.