Investigadores identifican el primer caso biológico de un fenómeno físico llamado "hiperdesorden"
A menudo la física se puede utilizar para dar sentido al mundo natural, ya sea para comprender los efectos gravitacionales en las mareas oceánicas o para utilizar poderosas herramientas de la física, como los microscopios, para examinar el funcionamiento interno de la célula. Pero cada vez más, los científicos se centran en los sistemas biológicos para descubrir nuevos conocimientos sobre física.
Al estudiar la piel del calamar, los investigadores han identificado el primer caso biológico de un fenómeno físico llamado "hiperdesorden", lo que aporta una nueva comprensión de cómo el crecimiento puede afectar la física.
Un equipo interdisciplinario del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) estudió el efecto del crecimiento en el desarrollo de patrones dentro de las células de la piel del calamar.
Al combinar métodos de imagen experimental con modelos teóricos, descubrieron nuevos conocimientos sobre la inusual disposición de estas células y crearon un modelo general de hiperdesorden aplicable a una amplia variedad de sistemas de crecimiento.
Estudio de las disposiciones: Uniformidad y desorden
El hiperdesorden se produce en sistemas donde la varianza en el número de puntos dentro de un espacio medido en particular crece más rápido que el volumen de dicho espacio. En esencia, al observar un área diminuta, el sistema puede parecer bastante ordenado, pero las fluctuaciones se acentúan al observarlo a mayor escala.
Vídeo: En sistemas hiperdesordenados, la variación aumenta más rápido que el número promedio, con pequeñas áreas de orden rodeadas de mares de desorden, como se muestra en esta animación.
"En otros sistemas de cultivo, como las células de los ojos de los pollos, se ha observado previamente hiperuniformidad, donde existe un orden y patrones de largo alcance, a pesar de la aleatoriedad a escala cercana", afirmó el Dr. Robert Ross, investigador postdoctoral interdisciplinario del OIST y primer autor de este estudio.
"Esto es lo que esperábamos ver en el calamar. Pero lo que observamos en realidad fue completamente diferente, y aún no hemos visto otros casos de este comportamiento de empaquetamiento en biología. Sin embargo, creemos que es muy probable que este desorden esté presente en sistemas de crecimiento similares, lo que resalta la importancia del crecimiento en las propiedades físicas".
Imagen derecha: A la izquierda, imagen de un calamar de 6 semanas, con (derecha) un acercamiento al patrón de cromatóforos, resaltados con círculos verdes punteados. Los cromatóforos muestran un patrón en el que los cromatóforos más grandes y antiguos están rodeados por cromatóforos más pequeños y jóvenes. Crédito: Ross et al., 2025
Entendiendo el desorden
En este estudio, los investigadores observaron calamares durante 12 semanas, utilizando un equipo experimental para capturar imágenes 3D del calamar, con el fin de estudiar la apariencia de células especializadas, llamadas cromatóforos, en la superficie de su piel.
"Los cromatóforos aparecen en posiciones fijas entre sí, siguiendo un patrón específico", explicó el profesor Sam Reiter, jefe de la Unidad de Neuroetología Computacional y coautor de este estudio. "Son esenciales para el camuflaje y la comunicación. Por lo tanto, nos interesaba estudiar la disposición espacial y el desarrollo de patrones de estas células".
Para comprender la física que rige el hiperdesorden observado, el equipo desarrolló un modelo matemático, utilizando discos duros sobre una superficie creciente para representar el comportamiento de la piel del calamar. A pesar de la aparente complejidad de este problema, lograron idear un modelo muy simple y de aplicación general.
El coautor, el profesor Simone Pigolotti, jefe de la Unidad de Complejidad Biológica, dijo: "Este estudio ejemplifica la importancia del crecimiento en el comportamiento físico de diferentes sistemas y el conocimiento único que se puede obtener al estudiar desde perspectivas interdisciplinarias".
"Esperamos aplicar nuestro modelo a otros sistemas de cultivo, tanto biológicos como de otros tipos. La naturaleza general de este modelo implica un sinfín de posibles direcciones científicas".
El estudio se ha publicado en Physical Review X: Hyperdisordered Cell Packing on a Growing Surface
