Eche un vistazo a una piscina de marea a lo largo de la costa y es posible que vea una estrella de mar aferrándose silenciosamente a una roca. Pero esa edad adulta segura se produce a expensas de un viaje larvario desgarrador. Pequeñas larvas de estrellas de mar, cada una más pequeña que un grano de arroz, pasan 60 días y 60 noches remando en mar abierto, alimentándose para acumular la energía necesaria para metamorfosearse en la forma familiar de estrella.

En el camino, las larvas deben hacer concesiones entre remar en busca de comida y agotarse por el viaje. Ahora en un Física de la naturaleza Un equipo dirigido por el bioingeniero de Stanford Manu Prakash ha revelado el hermoso y eficiente mecanismo que permite a estas humildes criaturas sobrevivir hasta la edad adulta.

"Hemos demostrado que la naturaleza equipa a estas larvas para agitar el agua de tal manera que creen vórtices que sirven para dos propósitos evolutivos:mover a los organismos y, al mismo tiempo, acercar la comida lo suficiente como para agarrarla, "dijo Prakash, profesor asistente de bioingeniería y reciente ganador de la subvención "genio" de la Fundación MacArthur.

Usando técnicas experimentales que capturan la belleza visual y los fundamentos matemáticos de este mecanismo, los investigadores muestran cómo la forma y la forma de las larvas de estrellas de mar habilitan las funciones necesarias para sustentar la vida.

"Cuando vemos formas extrañas y hermosas en la naturaleza, las llevamos al laboratorio y preguntamos por qué evolucionaron de esta manera, ", Dijo Prakash." Esa es la perspectiva que aportamos a la biología:comprender matemáticamente cómo la física da forma a la vida ".

William Gilpin, primer autor del artículo y estudiante de posgrado en el Prakash Lab, dijo que estos hallazgos arrojan luz sobre desafíos evolutivos similares que involucran a docenas de invertebrados marinos que están relacionados con las larvas de estrellas de mar de una manera clave.

"La evolución busca satisfacer las limitaciones básicas, "Dijo Gilpin." La primera solución que funciona muy a menudo gana ".

Vórtices complejos

Estos experimentos comenzaron en el verano de 2015 en la estación marina Hopkins de Stanford en Pacific Grove. California. Los investigadores estaban tomando un curso de embriología cuando comenzaron a preguntarse sobre los fundamentos evolutivos de la forma de la larva de la estrella de mar:¿por qué terminó luciendo como lo hizo?

Devolviendo esta curiosidad al laboratorio, el grupo estudió los organismos de forma sistemática, alimentar a las larvas de algas nutritivas y observar sus movimientos con microscopios con video.

"Nuestro primer momento eureka llegó cuando vimos los complejos vórtices que fluían alrededor de estos animales, "dijo Vivek Prakash (sin relación), becario postdoctoral en bioingeniería y tercer miembro del equipo. "Esto fue hermoso, inesperado y nos enganchó a todos. Queríamos averiguar cómo y por qué estos animales realizaban estos complejos flujos ".

Gilpin dijo que los vórtices eran desconcertantes porque parecían no tener sentido evolutivo. Se necesitó mucha energía para crear flujos de agua en espiral; por lo tanto, una larva con solo tres imperativos:alimentarse, moverse y crecer - tenía que tener una razón para hacer tanto esfuerzo.

Orquesta de pestañas

Una vez que los investigadores descubrieron cómo las larvas hacían girar el agua, ese entendimiento los llevó al por qué, y el experimento se centró en una de las estructuras más prevalentes de la evolución, los cilios, de la palabra latina para pestañas.

Imagine que los cilios de una larva de estrella de mar son como los remos que podrían usarse para remar en una antigua cocina, excepto que cada larva tiene alrededor de 100, 000 remos, dispuestas en lo que los investigadores llaman bandas ciliares que ciñen al organismo en un patrón mucho más complejo que los remos de cualquier galera.

La metáfora del remo insinúa la complejidad que encontraron los investigadores al estudiar cómo estos 100, 000 pestañas empujaron a la larva a través del agua.

Como remos los cilios tenían tres acciones potenciales:adelante, marcha atrás y deténgase. Y al igual que con los remos, los cilios se movían en diferentes patrones sincronizados para crear diferentes movimientos. Presuntamente orquestado por su sistema nervioso, la larva bate sus 100, 000 pestañas en ciertos patrones cuando quiere alimentarse, para hacer girar el agua de una manera que acerque las algas lo suficiente como para agarrarlas. Luego, con un aleteo diferente de pestañas, la larva crea un nuevo patrón de verticilos y acelera.

Los investigadores se dieron cuenta de que estaban observando un mecanismo activo y previamente desconocido que mejoraba las probabilidades de supervivencia de la larva. La estructura física de la larva de estrella de mar, controlado por sus nervios, le permite hacer concesiones entre alimentación y velocidad, persistiendo siempre que haya abundancia de algas, luego, lanzándose si los nutrientes escasean.

Al considerar las implicaciones de estos hallazgos, los investigadores plantearon la hipótesis de que este mecanismo de alimentación versus velocidad probablemente se aplicaba a otras larvas de invertebrados que, aunque son diferentes en la forma de las larvas de estrellas de mar, se sabe que tienen bandas ciliares similares. En experimentos futuros, los investigadores de Stanford planean utilizar las mismas técnicas para estudiar estas otras formas larvarias. Lo que esperan aprender es cómo la evolución ha tomado un cierto mecanismo, la banda ciliar, y resolvió la misma compensación de alimentación versus velocidad en docenas de formas y formas diferentes.

"Eso es lo que hacemos en mi laboratorio, Prakash dijo:"busque principios fundamentales que podamos expresar en ecuaciones para describir la belleza, diversidad y funciones de las diferentes formas de vida ".

Prakash también es miembro de Stanford Bio-X y Stanford ChEM-H y una filial del Instituto Stanford Woods para el Medio Ambiente.