Para muchas especies de insectos, las alas son como huellas digitales: no hay dos patrones iguales. Estos insectos, como muchos otros organismos, desde leopardos hasta peces cebra, se benefician de la capacidad aparentemente interminable de la naturaleza para generar formas y patrones diversos. Pero, ¿cómopatrones de forma?
Investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado un modelo que puede recrear, con solo unos pocos parámetros, los patrones de las alas de un gran grupo de insectos, arrojando luz sobre cómo se forman estos patrones complejos.
La investigación se publica en Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
"Hemos desarrollado un modelo simple, con solo unas pocas suposiciones sobre cómo crecen las alas, que puede recapitular patrones que se parecen a los de la vida real y puede hacerlo para especies que están estrechamente relacionadas entre sí, desde saltamontes hasta libélulas,caballitos del diablo y encajes ", dijo Christopher Rycroft, profesor asociado de Matemática Aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard y autor principal del artículo." Este modelo podría ser útil para estudiar la evolución de la estructura de las alas y otros patrones.formas "
Si bien la forma y el patrón de las alas de los insectos varían enormemente de una especie a otra, casi todas las alas de los insectos tienen venas, estructuras gruesas y similares a puntal incrustadas en la superficie del ala. Algunos insectos, como la mosca de la fruta bien estudiada, solo tienenpocas venas primarias grandes. La posición y la forma de estas venas se comparten entre las alas izquierda y derecha del mismo individuo y entre los individuos de la misma especie.
Pero otros insectos, como las libélulas, tienen una red compleja de venas secundarias que se entrecruzan en todo el ala, dividiéndola en cientos o miles de formas pequeñas y simples. La forma y la posición de estas venas secundarias son infinitamente variables, generando un carácter único.patrones en cada ala individual.
Estos patrones han fascinado a los biólogos y artistas durante siglos. Leonardo di Vinci, famoso inspirado por el vuelo de la libélula, dibujó alas de libélula a principios del siglo XVI. El biólogo holandés Jan Swammerdam hizo ilustraciones extraordinariamente detalladas de patrones de alas en su investigación sobre el desarrollo de insectos a mediados-1600s. Desde entonces, los naturalistas y los biólogos han seguido documentando cuidadosamente las alas de los insectos como un paso básico para describir e identificar diferentes especies.
Los investigadores recurrieron a este profundo pozo de datos para compilar una gran base de datos de especímenes de alas.
Kathy Li, BA '16, coautora del artículo, comenzó el proyecto como su tesis de pregrado. Recolectó más de 500 especímenes de libélulas y caballitos del diablo de 215 especies diferentes, incluidos representantes de 17 familias.
Recopiló especímenes de las clases de entomología de Harvard, ilustraciones de 20 th libros de referencia del siglo y bases de datos entomológicas existentes. Li separó las alas de los cuerpos y las fotografió para producir imágenes en 2D, no exactamente lo que ella se imaginaba haciendo una especialización en matemáticas aplicada
"Siempre me interesó la biología, por lo que el aspecto interdisciplinario del proyecto fue realmente emocionante", dijo Li, quien actualmente está cursando su doctorado en matemáticas aplicadas en la Universidad de Columbia. "Me gusta la idea de podermira algo y conecta su geometría a una conclusión sobre biología "
Una vez que se compiló la base de datos, los investigadores diferenciaron, o segmentaron, cada forma poligonal individual hecha de las venas que se intersectan.
"Queríamos tomar esta forma compleja y convertirla en algo más simple para poder hacer preguntas específicas y comparar su geometría entre especies", dijo Jordan Hoffmann, coautor del artículo y candidato a doctorado en SEAS ".Observamos las propiedades geométricas de estas formas individuales, que llamamos dominios. Observamos cuán alargado era cada dominio, cuántos lados tenía, cómo tocaba a sus vecinos ".
Hoffmann y el equipo descubrieron que gran parte de la variación en la geometría podría describirse por el tamaño del dominio y su circularidad. También descubrieron que si bien el patrón de cada ala es único, la distribución de las formas del dominio es sorprendentemente similar entre las familias ypor ejemplo, el tamaño de los dominios tiende a disminuir a medida que se alejan del cuerpo, mientras que la forma de los dominios tiende a volverse más circular hacia el borde posterior del ala.
"Esto es como la historia natural geométrica, en la que estamos viendo cómo se distribuyen estas formas en muchas especies", dijo Seth Donoughe, coautor del artículo y becario postdoctoral en la Universidad de Chicago. "Una vez que tuvimos unbuena manera de evaluar la similitud de las alas, creamos un modelo simplificado para el desarrollo de las venas de las alas ".
Los investigadores propusieron que una señal inhibitoria desconocida se difunde desde múltiples centros de señalización en las regiones entre las venas primarias. Estas zonas inhibidoras emergen al azar y se repelen entre sí, y luego evitan que crezcan venas secundarias en ciertas áreas. A medida que el ala crece y se estiradurante el desarrollo, esas zonas podrían formar las geometrías complejas del ala a medida que las venas crecían a su alrededor.
Los investigadores probaron el modelo en muchas especies de insectos diferentes, incluidos los insectos relacionados de forma distante, y generaron reproducciones realistas de alas.
"Si no tenemos cuidado, incluso a veces nos engañan las alas simuladas", dijo Donoughe.
"El enfoque general podría aplicarse a los patrones naturales que nos han deleitado por siglos, especialmente en esta época donde la información de muchas fuentes diferentes es fácilmente accesible", dijo Hoffman. "Problemas como estos son un trampolín emocionante para colaboraciones exitosas entre biología".y matemáticas "
Esta investigación fue en coautoría de Mary Salcedo. Fue apoyada por una beca de posgrado en ciencias computacionales del Departamento de Energía de los EE. UU.Computing Research, el Centro NSF-Simons para el Análisis Matemático y Estadístico de la Biología en la Universidad de Harvard, y la Iniciativa de Biología Cuantitativa de Harvard.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Original escrito por Leah Burrows. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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