Una planta y tu cerebros son más parecidos de lo que podrías pensar: los científicos de Salk han descubierto que las reglas matemáticas que gobiernan el crecimiento de las plantas son similares a cómo, de las células cerebrales, brotan las conexiones. El nuevo trabajo, publicado en Current Biology el 6 de julio de 2017, y basado en datos de escaneo láser 3D de plantas, sugiere que puede haber reglas universales lógicas que gobiernan el crecimiento ramificado en muchos sistemas biológicos.
«Nuestro proyecto fue motivado por la cuestión de si, a pesar de toda la diversidad que vemos en las formas vegetales, hay alguna forma o estructura que todos comparten», dice Saket Navlakha, profesor asistente en el Centro de Salk de Biología Integrativa y autor principal del documento. «Descubrimos que existe y, sorprendentemente, la variación en cómo las ramas se distribuyen en el espacio puede ser descrito matemáticamente por algo llamado una función gaussiana, que también se conoce como una curva en forma de campana”.
Siendo inmóviles, las plantas tienen que encontrar estrategias creativas para ajustar su arquitectura para enfrentar los desafíos ambientales, como estar en la sombra. La diversidad de las formas vegetales, desde las altas secuoyas hasta el tomillo, son un signo visible de estas estrategias, pero Navlakha se preguntó si había algún principio organizador invisible en el trabajo. Para averiguarlo, su equipo utilizó tecnología de escaneo 3D de alta precisión para medir la arquitectura de las plantas jóvenes durante un tiempo y cuantificar su crecimiento de forma que pudieran analizarse matemáticamente.
El equipo de científicos comenzó con tres cultivos agrícolas valiosos: sorgo, tomate y tabaco. Los investigadores cultivaron las plantas a partir de semillas en las condiciones que las plantas podrían experimentar de forma natural (sombra, luz ambiente, luz alta, calor fuerle y sequía). Cada pocos días, durante un mes, el autor del estudio, Adam Conn, exploró cada planta para capturar digitalmente su crecimiento. En total, Conn analizó casi 600 plantas.
«Básicamente escaneamos las plantas como si se escaneara un pedazo de papel», dice Conn. «Pero en este caso la tecnología es 3D y nos permite capturar la forma completa, la arquitectura completa de cómo la planta crece y distribuye las ramas en el espacio«.
La representación digital de cada planta se llama nube de puntos, un conjunto de coordenadas 3D en el espacio que puede ser analizado computacionalmente. Con los nuevos datos, el equipo construyó una descripción estadística de las formas de plantas, teóricamente posibles, estudiando la función sobre la densidad de las ramas de la planta. La función de densidad de las ramas representa la probabilidad de encontrar una rama en cualquier punto en el espacio que rodea una planta.
Este modelo reveló tres propiedades de crecimiento: separabilidad, auto-similitud y una función de densidad de ramas gaussianas. Separabilidad significa que el crecimiento en una dirección espacial es independiente del crecimiento en otras direcciones. Según Navlakha, esta propiedad significa que el crecimiento es muy simple y modular, lo que puede dejar que las plantas sean más resistentes a los cambios en su entorno.
La auto-similitud significa que todas las plantas tienen la misma forma subyacente, aunque algunas plantas pueden estirarse un poco más en una dirección, o estirarse en otra dirección. En otras palabras, las plantas no usan diferentes reglas estadísticas para crecer a la sombra que para crecer a plena luz. Por último, el equipo encontró que, independientemente de las especies de plantas o condiciones de crecimiento, los datos de densidad de rama siguieron una distribución gaussiana que se trunca en el límite de la planta. Básicamente, esto dice que el crecimiento de la rama es más denso cerca del centro de la planta y se vuelve menos denso más lejos siguiendo una curva de campana.
El alto nivel de eficiencia evolutiva sugerido por estas propiedades es sorprendente. A pesar de que sería ineficiente para las plantas para desarrollar diferentes reglas de crecimiento para cada tipo de condición ambiental, los investigadores no esperaban encontrar que las plantas serían tan eficientes como para desarrollar solo una única forma funcional. Las propiedades que se identificaron en este trabajo pueden ayudar a los investigadores a evaluar nuevas estrategias para cultivos de ingeniería genética.
Trabajos anteriores de uno de los autores del documento, Charles Stevens, profesor en el Laboratorio de Neurobiología Molecular de Salk, encontraron las mismas tres propiedades matemáticas en el trabajo en las neuronas cerebrales. «La similitud entre los mandriles neuronales y los brotes de plantas es bastante sorprendente, y parece que debe haber una razón subyacente«, dice Stevens. «Probablemente, ambos necesitan cubrir un territorio tan plenamente como sea posible, pero de una manera muy escasa para que no interfieran entre sí«.
El próximo reto para el equipo es identificar cuáles podrían ser algunos de los mecanismos a nivel molecular que impulsan estos cambios. Navlakha añade: «Podríamos ver si estos principios se desvían en otras especies agrícolas y tal vez utilizar ese conocimiento en la selección de plantas para mejorar los rendimientos de los cultivos».
Así que cuando te digan que eres un vegetal, quizá no vayan tan equivocados.
