Información específica compleja en una esponja modesta

Las esponjas son valores atípicos en el big bang de la biología, la explosión del Cámbrico. Sus embriones aparecen en estratos precámbricos, lo que lleva a algunos a considerarlos primitivos. Es una ilusión. Nuevos estudios sobre cómo construyen sus esqueletos con «espículas» de sílice han revelado principios de diseño lo suficientemente notables como para inspirar la biomimética.

La línea de caída primero: así es como un noticia de biología actual concluye:

«Este trabajo no solo arroja nueva luz sobre la formación de esqueletos animales, sino también podría inspirar estudios interdisciplinarios en áreas como biología teórica, bioingeniería, robótica e ingeniería arquitectónicautilizando mecanismos de arquitecturas autoconstruidas este adaptarse a su entornoincluidos entornos remotos como las profundidades del mar o el espacio”, escriben los investigadores. [Emphasis added.]

¡Bondad! ¿Qué hacen estos simples animales para causar tal revuelo? Solo mire el videoclip en el artículo sobre las células esponjosas en el trabajo. Luego mire el resumen gráfico en el papel de origen y vea las etapas esquematizadas en etapas bien organizadas: (1) las espículas se fabrican en células especializadas y luego se transportan al sitio; (2) las espículas de sílice perforan el tejido epitelial; (3) luego se elevan a su posición; (4) las bases se mantienen unidas por el colágeno suministrado por las células epiteliales basales.

Este sencillo animal sabe, en definitiva, cómo construir una casa con una arquitectura post-viga para adaptarse a su entorno.

es bastante impresionante

Los esqueletos de esponja, con sus espículas únicas, se han estudiado durante mucho tiempo, pero cómo se construyeron sigue siendo un misterio hasta ahora. Lo que es nuevo, según los investigadores japoneses, es la identificación de «células de transporte» especializadas que transportan y finalmente empujan las espículas a través del epitelio, y células de cemento que las fijan en su lugar como polos. El proceso revela la división del trabajo y un plan general.

Reportamos aquí un modo recién descubierto de formación del esqueleto: ensamblaje de elementos esqueléticos mineralizados de esponjas (espículas) en lugares alejados de su lugar de producción. Aunque se sabe que los esqueletos internos de las esponjas consisten en espículas ensambladas en grandes estructuras de postes y vigas con una variedad de morfologías, el proceso de ensamblaje de espículas (es decir, cómo se sostienen y conectan las espículas esencialmente en tándem escalonado) y que tipos de celulas actuan en este proceso ha permanecido inexplorado. Aquí encontramos que las espículas maduras son transportados dinámicamente desde su lugar de producción luego perforar a través del epitelio externo, y su los extremos basales se unen al sustrato o se conectan con tales espículas fijas. Las ‘células de transporte’ recién descubiertas median el movimiento de la espícula y el paso de ‘perforación’y las células epiteliales basales secretoras de colágeno unen las espículas al sustrato, lo que sugiere que los procesos de construcción del esqueleto puntiagudo son mediada separadamente por células especializadas. División del trabajo por células de fabricante, transportista y planta de cemento, e iteración de reacciones mecánicas secuenciales de «transporte», «perforación», «levantamiento» y «cementación», permite la construcción del esqueleto picante espícula a espícula a modo de estructura biológica autoorganizada, con alta plasticidad en tamaño y forma necesario para el crecimiento indeterminado, y generando la gran diversidad morfológica esponjas individuales.

Arquitectos inspiradores

Este método de construcción del esqueleto difiere mucho de los artrópodos y vertebrados. No parece seguir un conjunto de reglas o un patrón preestablecido, pero es muy efectivo para las esponjas, “cuyo crecimiento es plástico (es decir, depende en gran medida de su microambiente) e indeterminado, con una morfología muy variable entre individuos. Sin embargo, el diseño y la coordinación son evidentes en la división del trabajo, la especialización de las células y el resultado final es lo suficientemente bueno como para inspirar a los arquitectos. Si fuera tan simple, los autores no habrían dejado muchas preguntas sin respuesta:

Quedan por dilucidar muchos mecanismos celulares y moleculares precisos., por ejemplo, cómo las células de transporte pueden transportar espículas o cómo se levanta un extremo de las espículas perforadas. Además, uno de otras preguntas lo que hay que responder es como las esponjas ajustar su estructura esquelética dependiendo de las condiciones de su microambiente, como el flujo de agua o la rigidez del sustrato, ya que se informa que la forma de crecimiento de las esponjas marinas cambia según el movimiento del agua de su entorno.

El diseño también es evidente en los principios de autoorganización codificados en el ADN de la esponja que hacen que estos resultados sean tan exitosos. A los diseñadores humanos inteligentes les gustaría beneficiarse de este conocimiento. Los autores concluyen, repitiendo el “punto clave”:

Curiosamentenuestro estudio reveló que el esqueleto puntiagudo de las esponjas es una estructura biológica autoorganizada construido por comportamientos colectivos de células individuales. A cadena de reacciones simples y mecanicas«llevar-perforar (por células de transporte)-levantar (por células y/o mecanismos aún desconocidos)-cementación (utilizando una matriz de colágeno secretada por los basopinacocitos y posiblemente por las células que recubren las espículas)», agrega una espícula al esqueleto, y siguiendo el iteración de estos comportamientos secuenciales de células, se desarrolla el esqueleto puntiagudo. Hasta donde sabemos, este es el primer informe de comportamientos colectivos de células individuales que construyen una estructura biológica autoorganizada utilizando materiales no celulares., como los comportamientos colectivos de las termitas constructoras de montículos individuales. Así, nuestro trabajo no sólo arroja nueva luz sobre la formación del esqueleto en animales, pero también podría para inspirar estudios interdisciplinarios en campos como la biología teórica, la bioingeniería, la robótica y la ingeniería arquitectónica, utilizando mecanismos de arquitecturas autoconstruidas que se adaptan automáticamente a sus entornos, incluidos entornos remotos como el mar profundo o el espacio.

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La referencia a los montículos de termitas es relevante. El periódico La ciencia describió cómo estos montículos, construidos por cientos de termitas individuales, pueden «respirar» como un «pulmón externo»:

Así es como funciona: dentro de la colina hay un gran chimenea central conectado a un sistema de ductos ubicado en el montículo delgado, contrafuertes de flauta. Durante el tiempo de día, el aire en los delgados contrafuertes se calienta más rápido que el aire en la chimenea aislada. Como resultado, el aire caliente sube, mientras que el aire más frío de la chimenea desciende. creando una celda de convección cerrada que impulsa la circulación, y no la presión del viento exterior como se suponía. A nochesin embargo, el sistema de ventilación invertido, ya que el aire en las faldas de las montañas se enfría rápidamente, cayendo a una temperatura más baja que la de la chimenea central. La inversión del flujo de aire, a su vez, expulsa aire rico en dióxido de carbono – resultado del metabolismo de las termitas – que se acumula en el nido subterráneo durante el día, informan los investigadores en línea esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Sabemos que algunas cuevas «respiran» cuando cambia la temperatura, pero eso es diferente. Las termitas construyen sus montículos con un propósito: controlar la temperatura y eliminar el dióxido de carbono para su salud. Es un poco como el transporte activo en las células que toma lo que la célula necesita y elimina lo que no, usando maquinaria que trabaja en contra de los gradientes de concentración naturales.

Autoorganización inteligente

Todos sabemos que algunas cosas hermosas pueden autoorganizarse sin programación (los copos de nieve son un gran ejemplo). Lo que vemos aquí, sin embargo, son sistemas que operan a partir de programas genéticos con un propósito. En el caso de las esponjas, sus células especializadas cooperan en un plan para construir un esqueleto que se adapte al entorno. En el caso de las termitas, el programa genético de cada insecto hace que se comporte en un esfuerzo cooperativo para construir un montículo con clima controlado. Tales cosas no suceden por fuerzas naturales no guiadas.

Si la autoorganización funcional fuera simple, por qué cinco países europeos tardaron años ¿»trabajar en el diseño del primer espacio y hábitat terrestre desplegado de forma autónoma en la Unión Europea»? El esfuerzo, llamado proyecto «Hábitat de autodespliegue para entornos extremos» (SHEE), tiene como objetivo programar elementos para viviendas de astronautas «de autoconstrucción» en Marte u otros lugares hostiles. Fueron necesarios años de trabajo en el diseño, creación de prototipos, construcción y mejoramiento para que estos edificios se «desplieguen solos» sin un ser humano en el circuito.

Entonces, cuando una esponja puede hacer esto, deberíamos ver un diseño inteligente detrás de escena, no la inteligencia de la esponja, que ciertamente es pequeña, sino la inteligencia como la causa de la información genética que le permite a la esponja ejecutar un programa que conduce a un resultado funcional.

Aquellos de nosotros que apreciamos los espectaculares programas genéticos que construyeron los animales del Cámbrico debemos tomar nota del nivel de información compleja especificada en la humilde esponja. También podemos notar que el modo de construcción de la esponja no tiene ninguna relación ancestral evolutiva con los diversos y complejos planos corporales que estallaron en los estratos cámbricos. Las esponjas funcionaron bien. Ellos siempre están con nosotros.

Este artículo fue publicado originalmente en 2015.