IMAL- INALI / Un modelo matemático universal explica los patrones de la piel del surubí / Un grupo de investigadores liderados por Pablo Bolcatto y Rafael Barrio publicó un articulo en la revista Scientific Reports. Pablo Scarabotti participó desde el INALI

Un grupo de investigadores argentinos y mexicanos liderados por Pablo Bolcatto y Rafael Barrio, publicó un articulo en la revista Scientific Reports donde presentan un modelo matemático universal que explica porque los surubíes tienen variaciones tan sorprendentes en los patrones de color de su piel. Pablo Scarabotti participó desde el INALI. Los Pseudoplatystoma pertenecen a la familia de los Bagres, son 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 los científicos.

Ante la primera pregunta respecto al trabajo, Bolcatto -investigador en el IMAL (CONICET-UNL)- aclara: “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. “Llevó su tiempo, había muchas diferencias de lenguaje, los estilos de redacción y hasta como poner una referencia. Todas fueron cuestiones a resolver pero que poco a poco nos fuimos acercando y el maridaje terminó muy bien. El proceso llevó, mas o menos, dos años”, agrega.

Los resultados no se hicieron esperar: “encontramos una única explicación de porqué 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 el mundo”.

Reacción y difusión de elementos químicos

Continua Bolcatto su explicación: “La estructura de la piel de esta especie 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 como 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 dió el soporte biológico a la investigación, fue realizado por el investigador Pablo Scarabotti en los laboratorios del 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. Completa el investigador: “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”.

La historia de esta colaboración científica se remonta a 15 años atrás, momento en que Pablo 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. Pablo 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, y recién a principios de 2018, nuevamente juntos en Bariloche dijeron: “esta vez hagámoslo”.

EQUIPO DE TRABAJO

Pablo Bolcatto, investigador en el Instituto de Matemática Aplicada del Litoral (IMAL / CONICET-UNL) y docente en la UNL, Santa Fe, Argentina. Presidente de Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (CITEDEF) en el Ministerio de Defensa de la Nación.
Pablo Scarabotti, investigador de CONICET en el Instituto Nacional de Limnología, (INALI / CONICET-UNL), docente en la FHUC-UNL, Santa Fe, Argentina.
Rafael A. Barrio, investigador en el Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico.
Tzipe Govezensky, investigador en el Instituto de Investigaciones Biomédicas, Universidad Nacional Autónoma de México. 

IMAL
El Instituto está dedicado al desarrollo de la Matemática a través de la investigación, formación y perfeccionamiento de recursos humanos, el apoyo a los trabajos en otras disciplinas de índole científica y tecnológica, así como la divulgación y promoción de esta ciencia.
www.imal.santafe-conicet.gov.ar

INALI
El Instituto se dedica al estudio de los ecosistemas acuáticos continentales de Argentina, especialmente los vinculados al río Paraná y su cuenca, así como a la biodiversidad de invertebrados y vertebrados. Forma recursos humanos de alto nivel, brinda servicios y asesoramiento a entidades oficiales y privadas, y realiza acciones de divulgación.
www.inali.conicet.gov.ar

Paper
Artículo publicado el 24 de julio por Scientific Reports.
https://www.nature.com/articles/s41598-020-68700-0

Por Paula Pochettino, Área de Comunicación Social, CONICET Santa Fe