Un equipo de la Universidad de Ginebra (UNIGE) analizó en detalle cómo se forman estos patrones en el embrión utilizando técnicas de imagen y simulaciones por ordenador. Descubrieron que el crecimiento desigual de las diferentes capas de tejidos provoca la formación de cúpulas, que se apoyan en los vasos sanguíneos subyacentes.
Imagen volumétrica de la trufa de un embrión de perro, obtenida mediante microscopía de fluorescencia llamada "de hoja de luz".
© Milinkovitch, Dagenais
Estos trabajos describen por primera vez este proceso de morfogénesis, que podría ayudar a explicar la formación de otras estructuras biológicas asociadas a vasos sanguíneos. Se pueden consultar en la revista Current Biology.
Lo viviente presenta formas notables, algunas de las cuales son identificables por su "patrón" de coloración o motivos. Así es como reconocemos a las cebras o los guepardos por las repeticiones geométricas en su pelaje o a las piñas por su organización en espirales regulares. Estos fascinantes patrones son generados por diferentes procesos de morfogénesis, es decir, la aparición de formas durante el desarrollo embrionario.
Por un lado, la morfogénesis auto-organizativa química permite que estructuras o patrones emerjan a partir de reacciones químicas. Un ejemplo particularmente ilustrativo es el modelo de reacción-difusión de Turing, donde sustancias químicas se difunden e interactúan para crear patrones relativamente regulares, como las rayas o manchas en la piel de los mamíferos y reptiles.
Por otro lado, algunas formas son el resultado de restricciones mecánicas. Los pliegues del cerebro, por ejemplo, aparecen mediante un proceso de crecimiento diferencial: la corteza forma pliegues porque crece más rápido que la capa más profunda a la que está adherida.
La diversidad de lo viviente
El grupo de Michel Milinkovitch, profesor del Departamento de Genética y Evolución de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, estudia la evolución de los mecanismos de desarrollo que están en el origen de la complejidad y diversidad de las especies. "Encontrar ejemplos para estudiar la belleza de los patrones vivientes es fácil. ¡Basta con mirar a nuestro alrededor! Nuestro último estudio se centra en particular en la trufa del perro, cuya piel presenta una singular red de estructuras poligonales", explica Michel Milinkovitch.
La piel desnuda del rinario (trufa) de numerosas especies de mamíferos tiene, en efecto, una red de polígonos formados por surcos en la piel. Estos, al retener fluidos fisiológicos, permiten mantener la nariz húmeda y, entre otras cosas, facilitar la recolección de moléculas olorosas y feromonas. El equipo ginebrino colaboró con la Universidad París-Saclay, la Escuela Nacional Veterinaria de Alfort (EnvA) y el Instituto de Neurociencias de San Juan de Alicante para recolectar muestras de rinarios de embriones de perros, vacas y hurones.
Visualización de las narices en 3D
Estas muestras fueron observadas mediante microscopía denominada "de fluorescencia de hoja de luz", una técnica que permite visualizar estructuras biológicas en tres dimensiones.
Los investigadores e investigadoras observaron en las tres especies de mamíferos que las redes poligonales de pliegues del epidermis —la capa externa de la piel— aparecen durante la embriogénesis y se superponen sistemáticamente a una red subyacente de vasos sanguíneos rígidos, localizados en el dermis —la capa profunda de la piel.
Además, observaron que la proliferación de células del epidermis era más rápida que la de las células del dermis.
Los vasos sanguíneos, "pilares arquitectónicos"
Con estos datos, un modelo matemático permitió a los científicos realizar simulaciones informáticas del crecimiento de los tejidos.
Estas tienen en cuenta la diferencia en la velocidad de crecimiento entre el dermis y el epidermis, su rigidez respectiva y, sobre todo, la presencia de vasos sanguíneos en el dermis. "Nuestras simulaciones numéricas muestran que el estrés mecánico generado por el crecimiento excesivo del epidermis se concentra en las posiciones de los vasos sanguíneos que forman puntos de apoyo rígidos.
Las capas epidérmicas son empujadas hacia el exterior, formando cúpulas —un poco como bóvedas que se elevan contra pilares rígidos", explica Paule Dagenais, postdoctoranda en el Departamento de Genética y Evolución de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, y primera autora del estudio.
Estos resultados demuestran que, en el caso de los rinarios, la posición de las estructuras poligonales del epidermis está impuesta por la posición de los vasos sanguíneos rígidos del dermis, que ejercen restricciones locales durante el crecimiento del epidermis, conduciendo a la formación de surcos y cúpulas en posiciones precisas.
"Es la primera vez que se describe este mecanismo, que llamamos 'información posicional mecánica', para explicar la formación de estructuras durante el desarrollo embrionario. Pero no dudamos que permitirá explicar la formación de otras estructuras biológicas asociadas a la presencia de vasos sanguíneos", concluye Michel Milinkovitch.