El comportamiento de los organismos vivos puede obedecer las mismas leyes matemáticas que los fenómenos físicos, como el clima y el movimiento de los planetas, dice una nueva investigación de la Unidad de Teoría de la Física Biológica en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST).

La física tiene un historial de predecir y modelar con éxito el movimiento en escalas muy diferentes, desde moléculas hasta agujeros negros en colisión. Pero cuando se trata del comportamiento de los organismos vivos, el concepto es todavía muy nuevo. Doctorado reciente de la OIST. graduado, Dr. Tosif Ahamed, forma parte de un grupo de científicos que son pioneros en este campo. Su investigación, publicado en Física de la naturaleza , usó una especie de gusano diminuto, Caenorhabditis elegans , proponer un marco para capturar la estructura matemática subyacente a los animales en movimiento.

"La neurociencia tiende a centrarse en lo que sucede dentro del cerebro, "Dijo el Dr. Ahamed." Pero esto a menudo se expresa a través del movimiento y el comportamiento de un animal. Por lo tanto, comprender su comportamiento nos da una ventana a sus cerebros. Recientemente, ha habido una explosión de tecnología que puede registrar el comportamiento de los animales en alta resolución ".

Profesor Greg Stephens, quien lidera la Unidad OIST, agregado a esto, "El notable progreso tecnológico ha permitido nuevas, mediciones de precisión de sistemas vivos en todas las escalas, de moléculas de ADN a células cerebrales, a organismos enteros. Pero actualmente carecemos de un marco fundamental para comprender la dinámica de estos sistemas y las secuencias de medidas a lo largo del tiempo. Nuestro trabajo reportado aquí ayudará a cambiar eso ".

C. elegans han sido una especie importante para muchos proyectos pioneros en biología y neurociencia, pero es su simplicidad lo que los hizo ideales para este estudio. Como explicó el Dr. Ahamed, matemáticamente hablando, la forma de los gusanos en una placa 2-D es simplemente una curva, que es relativamente fácil de describir.

El equipo de investigación que incluía al Dr. Antonio Costa de Vrije Universiteit Amsterdam, usó grabaciones de alto video del gusano, y convirtió la forma de cada cuadro en un conjunto de números. Para hacer esto, dividieron el gusano en 100 puntos y midieron los ángulos tangentes en estos puntos. Los investigadores habían descubierto previamente que la postura de un gusano podía representarse con solo cuatro formas estereotipadas, por lo que los apodaron 'gusanos propios'. Esencialmente, mezclando estos gusanos propios en diferentes cantidades, cualquiera puede dibujar cómo se ve un gusano en un instante dado.

Pero en este estudio, los investigadores miraron más a fondo. En lugar de dibujar el gusano en un solo instante, buscaban 'dibujar' la dinámica de su comportamiento, esencialmente para encontrar la estructura en una secuencia de formas de gusano.

La analogía del péndulo

Muestre a alguien el punto instantáneo de un péndulo oscilante y podrá imaginar cómo se ve en ese momento en el tiempo, pero esto no les dice nada sobre lo que está haciendo el péndulo. Pero muéstrele a alguien el punto actual y un punto adicional en un momento anterior, y sabrán todo sobre lo que está haciendo el péndulo ahora y lo que hará en el futuro.

El grupo de investigación adoptó un enfoque similar al estudiar a los animales, pero esto fue mucho más complicado que con el péndulo. Al principio, los investigadores tuvieron que desarrollar una nueva métrica de predictibilidad. Esto mide la duración durante la cual el futuro de un sistema podría predecirse mejor que solo conjeturas al azar. Luego recopilaron secuencias de formas y las usaron para definir el estado actual de un gusano. Los investigadores encontraron siete secuencias de formas estereotipadas, todos los cuales fueron notablemente interpretables.

Sin embargo, a diferencia del péndulo, los investigadores no pudieron predecir el comportamiento del gusano de forma indefinida. "Es como con el clima, "El Dr. Ahamed dijo." Estamos en un punto en el que podemos predecir el clima con un alto nivel de certeza para hoy y mañana, pero después de eso se vuelve bastante aleatorio. Si supiera lo que hace un gusano ahora, entonces puedo decirles con bastante seguridad lo que va a hacer en el próximo instante. Pero una vez que llegamos a dos o tres segundos después, se vuelve más difícil ".

El Dr. Ahamed quería explorar por qué el movimiento era tan impredecible. Un análisis más detallado de sus datos insinuó que la dinámica caótica podría desempeñar un papel.

La dinámica caótica se refiere a sistemas en los que pequeñas incertidumbres en las mediciones pueden hacer imposibles las predicciones a largo plazo. Esto puede suceder incluso cuando un sistema no está influenciado por fluctuaciones aleatorias.

Un ejemplo clásico de esto es un péndulo doble. Incluso si varios péndulos dobles se inician aproximadamente desde la misma posición, los péndulos harán movimientos muy diferentes después de un corto período de tiempo.

El grupo de investigación exploró estas ideas con los gusanos. Descubrieron que si dos gusanos comienzan con comportamientos similares, continuarán actuando de manera similar durante un corto tiempo (alrededor de un segundo) antes de que su comportamiento diverja. Notablemente, el tiempo que tarda en ocurrir esta divergencia está determinado por una cantidad matemática, que es una medida fundamental de predictibilidad en sistemas caóticos.

También observaron el movimiento a través de una lente más basada en la geometría, mapeando todos los puntos que un gusano había estado para formar una forma. Asombrosamente, sus resultados mostraron que la estructura matemática subyacente al comportamiento de los gusanos está estrechamente relacionada con la que gobierna los fenómenos de conservación de energía. Esto fue inesperado como gusanos, como todos los sistemas biológicos, perder energía a través de la fricción ambiental y el uso de los músculos.

"Nunca esperábamos encontrar esta estructura subyacente al comportamiento, ", explicó el Dr. Ahamed." Definitivamente fue la parte más sorprendente de esta investigación ".

Aunque este estudio analizó específicamente C. elegans , el marco desarrollado debería poder utilizarse en todo el mundo biológico.

"La gente generalmente no cree que los organismos vivos puedan modelarse matemáticamente, "dijo el Dr. Ahamed." Pero hay un número finito de movimientos que cualquier animal puede hacer y hay una probabilidad medible de que hagan ciertos movimientos sobre otros. Ahora estamos en la etapa en la que podemos encontrar marcos matemáticos. Próximo, desarrollaremos ecuaciones y modelos para explicar estos marcos ".