Las nubes cambiantes de los pájaros estorninos, la organización de redes neuronales o la estructura de un hormiguero: la naturaleza está llena de sistemas complejos cuyos comportamientos pueden modelarse utilizando herramientas matemáticas. Lo mismo ocurre con los patrones laberínticos formados por el verdeo escamas negras del lagarto ocelado.Un equipo multidisciplinar de la Universidad de Ginebra UNIGE explica, gracias a una ecuación matemática muy sencilla, la complejidad del sistema que genera estos patrones.Este descubrimiento contribuye a comprender mejor la evolución depatrones de color de la piel: el proceso permite muchas ubicaciones diferentes de escamas verdes y negras, pero siempre conduce a un patrón óptimo para la supervivencia del animal. Estos resultados se publican en la revista Cartas de revisión física.
Un sistema complejo está compuesto por varios elementos a veces solo dos cuyas interacciones locales conducen a propiedades globales que son difíciles de predecir. El resultado de un sistema complejo no será la suma de estos elementos tomados por separado ya que las interacciones entre ellos serángenerar un comportamiento inesperado del conjunto.El grupo de Michel Milinkovitch, Profesor del Departamento de Genética y Evolución, y Stanislav Smirnov, Profesor de la Sección de Matemáticas de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, se han interesado por la complejidad deldistribución de escamas coloreadas en la piel de los lagartos ocelados.
Laberintos de escamas
Las escamas individuales del lagarto ocelado Timon lepidus cambia de color de verde a negro y viceversa a lo largo de la vida del animal, formando gradualmente un patrón laberíntico complejo a medida que alcanza la edad adulta.Los investigadores de la UNIGE ya habían demostrado que los laberintos emergen en la superficie de la piel porque la red de escamas constituye el llamado 'autómata celular'."Este es un sistema informático inventado en 1948 por el matemático John von Neumann en el que cada elemento cambia su estado de acuerdo con los estados de los elementos vecinos", explica Stanislav Smirnov.
En el caso del lagarto ocelado, las escamas cambian de estado -verde o negro- dependiendo de los colores de sus vecinos de acuerdo con una regla matemática precisa. Milinkovitch había demostrado que este mecanismo de autómata celular surge de la superposición de, enpor un lado, la geometría de la piel gruesa dentro de las escamas y mucho más delgada entre escamas y, por otro lado, las interacciones entre las células pigmentarias de la piel.
El camino a la sencillez
Szabolcs Zakany, físico teórico en el laboratorio de Michel Milinkovitch, se asoció con los dos profesores para determinar si este cambio en el color de las escamas podría obedecer a una ley matemática aún más simple. Los investigadores recurrieron al modelo de Lenz-Ising desarrollado enla década de 1920 para describir el comportamiento de las partículas magnéticas que poseen magnetización espontánea. Las partículas pueden estar en dos estados diferentes +1 o -1 e interactuar solo con sus primeros vecinos.
"La elegancia del modelo de Lenz-Ising es que describe estas dinámicas usando una sola ecuación con solo dos parámetros: la energía de los vecinos alineados o desalineados, y la energía de un campo magnético externo que tiende a empujar todas las partículas haciael estado +1 o -1", explica Szabolcs Zakany.
Un trastorno máximo para una mejor supervivencia
Los tres científicos de UNIGE determinaron que este modelo puede describir con precisión el fenómeno del cambio de color de las escamas en el lagarto ocelado. Más precisamente, adaptaron el modelo de Lenz-Ising, generalmente organizado en una red cuadrada, a la red hexagonal de escamas de piel.A una energía media dada, el modelo de Lenz-Ising favorece la formación de todas las configuraciones de estado de partículas magnéticas correspondientes a esta misma energía.En el caso del lagarto ocelado, el proceso de cambio de color favorece la formación de todas las distribuciones de verde y negro.escalas que cada vez dan como resultado un patrón laberíntico y no en líneas, manchas, círculos o áreas de un solo color....
"Estos patrones laberínticos, que proporcionan a los lagartos ocelados un camuflaje óptimo, han sido seleccionados en el curso de la evolución. Estos patrones son generados por un sistema complejo, que aún puede simplificarse como una sola ecuación, donde lo que importa no es ella ubicación precisa de las escamas verdes y negras, sino la apariencia general de los patrones finales", se entusiasma Michel Milinkovitch. Cada animal tendrá una ubicación precisa diferente de sus escamas verdes y negras, pero todos estos patrones alternativos tendrán una apariencia similar es decir, una 'energía' muy similar en el modelo de Lenz-Ising dando a estos diferentes animales oportunidades equivalentes de supervivencia.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Ginebra. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
referencia de diario:
Citar esta página:
Visita Nuevo científico for more global science stories >>>