NeoFronteras

Desarrollo de plantas y de cerebros

Área: Biología — Domingo, 9 de Julio de 2017

El crecimiento en plantas y neuronas sigue pautas matemáticas similares.

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Según investigadores del Instituto Salk, el desarrollo de las plantas y el cerebro tienen en común mucho más de lo que a primera vista parece: es dirigido por las misma propiedades matemáticas.

El estudio está basado en datos 3D sobre la ramificación en las plantas y en cómo las neuronas se conectan unas a otras en el cerebro. Parece que en ambos casos subyacen las mismas propiedades matemáticas, por lo que quizás haya reglas universales que puedan aplicarse a muchos sistemas biológicos.

“Nuestro proyecto estaba motivado por la pregunta de si, a pesar de la diversidad que vemos hoy en día en las plantas, hay alguna forma o estructura que compartan entre sí”, dice Saket Navlakha. Añade que, efectivamente, es así, pues descubrieron sorprendidos que la variación en cómo las ramas se distribuyen en el espacio puede ser descrita matemáticamente por una función gaussiana o función normal, es decir, por famosa campana de Gauss.

Las plantas son inmóviles, así que tienen que optar por estrategias creativas de adaptación que ajusten su arquitectura a los distintos desafíos, como puede ser la sombra proyectada por una planta vecina. La diversidad de formas de las plantas es un signo visible de este tipo de estrategias, según Navlakha. Pero este investigador se preguntó si, a pesar de esta variedad, había algún principio subyacente a todos los casos. Así que él y el resto del equipo de investigadores usaron un sistema de escaneo en 3D para medir la arquitectura de distintas plantas y analizaron matemáticamente el resultado.

Empezaron con las plantas de sorgo, tomate y tabaco, plantándolas a partir de semillas en condiciones controladas de luz, temperatura y humedad. Cada pocos días durante un mes escaneaban las 600 plantas del experimento, lo que permitía adquirir datos completos sobre el crecimiento de las plantas y de la distribución de ramas en el espacio a lo largo del tiempo. A cada planta se la representó entonces como una nube de puntos en un espacio tridimensional con sus coordenadas correspondientes. Esto permitió, además, calcular la función de densidad de ramas.

Entonces desarrollaron un modelo que les permitió estudiar tres propiedades sobre el crecimiento de las plantas: separabilidad, autosemejanza y una función gaussiana de densidad de ramas.

La separabilidad significa que se crece en una dirección espacial que es independiente de las otras direcciones de crecimiento, lo que viene a decir que el crecimiento es muy simple y modular. Esto, según los investigadores implicados, hace que las plantas sean más resistentes a cambios en el ambiente.

La autosemejanza viene a significar que todas las plantas tienen una misma forma subyacente, incluso cuando esta puede ser aplastada en una dirección y estirada en otra. Según esto, las plantas no usan reglas estadísticas diferentes para crecer en la sombra que cuando o hacem a plena luz.

Finalmente, los investigadores descubrieron que, independiente de la especie o de las condiciones ambientales, la densidad de ramas seguía una distribución gaussiana que es truncada en los bordes de la planta. Esto vendría a significar que el crecimiento de ramas es más denso cerca del centro de la planta y se hace menos denso según nos alejamos de ese centro según una campana de Gauss.

En un trabajo anterior de uno de los autores de este mismo estudio, Charles Stevens, se encontró que las mismas tres propiedades matemáticas se dan en las neuronas del cerebro. Según Stevens, las similitudes entre ramificación neuronal y en las plantas es bastante sorprendente, por lo que debe de haber una razón subyacente. “Probablemente en ambos casos se necesita cubrir un territorio tan completamente como sea posible, pero de una manera muy dispersa de tal modo que no se interfieran unas con otras”, añade.

El alto nivel de eficiencia evolutiva sugiere que estas propiedades son sorprendentes en plantas. Aunque sería ineficiente para las plantas evolucionar hasta tener reglas de crecimiento distintas para diferentes condiciones ambientales, los investigadores no esperaban encontrar plantas que fueran tan eficientes como para desarrollar una única forma funcional. Según los investigadores, las propiedades que han encontrado en este estudio pueden ayudar a otros investigadores a evaluar nuevas estrategias para modificar genéticamente cultivos.

El próximo desafío para este equipo de investigadores es identificar qué habría detrás de estas estrategias a nivel molecular que dirigen estos cambios. “Podríamos ver si hay desviaciones de estos principios en especies agrícolas y quizás se pueda usar este conocimiento en la selección de plantas que mejoren los cultivos”, dice Navlakha

Sin embargo, no deja de ser arriesgada la extrapolación de estas conclusiones a todo tipo de plantas. Las palmeras, cicas y otras plantas usan arquitecturas distintas. Además, los sorprende de un fenómeno cualquier no es que siga una distribución normal, pues se llama así precisamente porque es lo más habitual y normal, sea en seres vivos o en objetos inanimados.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=5631

Fuentes y referencias:
Artículo original I.
Artículo original II.
Ilustración: Salk Institute.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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6 Comentarios

  1. Dr. Thriller:

    ¡Y los deltas de los ríos! Y en este caso sabemos plenamente (o eso pensamos) qué fuerzas actúan: meramente la gravedad, y la mecánica de fluidos (con cositas en suspensión). Y un poquito la meteorología y seguro que los seres vivos que andan pululando por ahí. Vamos, entropía en fuga a varias voces.

    Veo dos diferencias claras entre las redes neuronales y las plantas: que las plantas son un sistema en sí mismo, y el crecimiento neuronal está inserto como subsistema de otro, es decir, que las plantas tienen que retroalimentarse solas y el tejido neuronal va inserto en una arquitectura global más compleja. Se puede argumentar que las plantas también van insertas en una arquitectura mayor, por ejemplo cuando los árboles compiten en altura entre ellos por captar la luz del Sol, y como además se envían mensajeros químicos unos a otros, pues… tienen ustedes mucho trabajo por delante.

    Ahora, lo bueno de esto es cómo la tecnología (el instrumental, o sea, nuestros sentidos amplificados) nos permite contestar preguntas que ni estaban planteadas. ¿El instrumental es nuestro tropismo particular?

  2. lluís:

    Es curioso como la naturaleza repite patrones. Podemos encontrar geometría fractal por doquier. Las neuronas son fractales, las plantas y los árboles también, por no poner muchos más ejemplos.Los patrones son matemáticos. Parece bastante claro que el Universo se expresa matemáticamente. Despues de todo parecería que la asombrosa eficacia de las matemáticas no es tan asombrosa, aunque nadie sepa por qué.

  3. Tomás:

    ¿Debemos extrañarnos de que cualquier idioma, tanto verbal como escrito, repita las mismas pautas? Lo hemos creado nosotros con una estructura determinada. Lo mismo pasa con la música -hace unos días escuché un fragmento de una obra clásica al revés y era agradable; habré de probar con algún otro-. Pienso que sucede lo mismo con las mates: son un idioma con el que describimos con mucha precisión -mientras podemos; cuando no, echamos manos de la estadística-.

  4. Dr. Thriller:

    Tomás, esa es la hipótesis de Chomsky, exactamente (la lingüística, Chomsky es un sociolingüista, palabro curioso porque el socio- es totalmente redundante). El problema es que Chomsky se limita a apuntar una base neurológica, pero la base de la base está por basarse. Como parece obvio, si el primer problema es colosal, el.segundo por ahora está totalmente fuera de nuestro alcance.
    Por cierto que estamos muy seguros de que la forma en la que describimos.las matemáticas, querramos decir con esto lo que se pueda.coger con pinzas, es universal, es decir, una ET entendería lenguaje.simbólico básico. Esto, está por ver, como tantas cosas. En mi.opinión, y en el.mejor de.los casos (y me avalo en estudios sobre invidentes de nacimiento) esto debe depender de la.construcción mental del mundo exterior que se sustenta en informaciòn sensorial. En este planeta se basa casi completamente en ondas acústicas y el.espectro de luz visible, incluyendo procesados de señal.complejos, pero que yo sepa nadie ha estudiado otras posibilidades, exóticas o no.

  5. NeoFronteras:

    El problema es que, como sólo conocemos un ejemplo de vida, no sabemos cómo puede ser el lenguaje o el pensamiento de un ET. Quizás haya reglas universales o no. Puede que incluso haya un paso más allá de la inteligencia tal y como la conocemos al que no hemos llegado.

  6. Tomás:

    En efecto: más allá o totalmente inimaginable por lo divergente. Pero, repito como tantas veces, ni siquiera podemos comunicarnos con los delfines sabiendo su tipo de emisión y recepción. Solo sabemos con claridad que su cultura no es tecnológica, como pudiera ser, quizá, en un futuro, la de los chimpancés, al tenerlo difícil -los delfines- por carecer de manos.
    Pero la base es idéntica; quiero decir, neuronal. Mas, cómo una levísima diferencia puede llevarnos a situaciones tan distintas… Es como el agua que discurre; un mínimo obstáculo puede cambiar totalmente su curso.
    Entonces, ahí está la cuestión: será neuronal su estructura mental o será algo impensable para nosotros; quizá un medio acuoso más contínuo… ¡puf, cualquiera sabe…!

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