MORPHOGENESIS

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MORPHOGENESIS: RANDOM or  NEED?

In 1952, Alan Mathison Turing designed a mathematical model of biological pattern formation (The chemical basis of morphogenesis, 1952, https://doi.org/10.1098/rstb.1952.0012), which would allow developing varieties of rays, spots and scales that would emerge from the interaction of two chemical agents, capable of explaining myriads of biological patterns: mammalian hair, bird feathers, etc. Turing hypothesized that these chemical substances (morphogens), which would react and diffuse together with each other through tissues, could explain the morphogenesis. Although such a system could initially be homogeneous it could later develop different structural patterns due to the instability of the homogeneous equilibrium induced by random disturbances. Turing discussed in his paper a possible mechanism by which the genes of a zygote could determine the anatomical structure of the resulting organism. Now Gareth Fraser (University of Florida), proposes that denticles of the skin of sharks are established in real life by mechanisms similar to that proposed by Turing. Fraser suggests that developing embryos of several   vertebrates establish such patterns in their outer layers since the first vertebrates appeared. The Turing model: reaction-diffusion mechanism, requires an activator and an inhibitor, when disseminating between tissues. The activator initiates the process, forming a spot and promoting its production, while the inhibitor would stop the 2 actions, spreading faster, preventing the formation of activation pockets. Depending on when and where they were released, and the activation pockets would manage to form spaced points and stripes. According to Turing, an initial row of points would stimulate the production of rows of points parallel to the sides of the embryo until it is covered. Rory Cooper assures that from very old the sharks had denticles (little scales), that covered its body as an armor, serving to protection, to diminish the friction or to lodge bacteria, useful in communication procedures. Fraser's colleagues constructed a model of mathematical interactions between the activator and the inhibitor, making the frequencies of diffusion, production and degradation of the 2 morphogens to produce patterns similar to shark skin. When Cooper used in situ hybridization, a technique of luminous expression of genes in tissues noticed that these were light up in both sharks and chickens, expressing highly conservative mechanisms. In Biology, if the expression of a gene is reduced and the pattern disappears, it is concluded that the suppressed gene plays an important role in the production of the pattern. Cooper used a chemical to inhibit the activator of the chicken feathers, impregnating it along the proto-denticles of the shark's embryo. On the other hand, the chemicals to inhibit the expression of the activation of the genes of a bird had identical effect in a shark, forming a dead flat area devoid of denticles, being able to correct also the production, degradation and diffusion frequencies of the activator and inhibitor. The quite conservative nature favors the biological diversity based on a strict set of principles reused again and again, evolutionarily.

MORFOGÉNESIS: ¿AZAR O NECESIDAD?

En 1952, Alan Mathison Turing diseño un modelo matemático de formación de patrones biológicos  (The chemical basis of morphogenesis, 1952, https://doi.org/10.1098/rstb.1952.0012), que permitirían desarrollar variedades de rayas, manchas y escamas que emergerían de la interacción de dos agentes químicos, capaces de explicar miríadas de patrones biológicos: pelo de mamíferos, plumas de aves, etc. Turing hipotetizo que estas sustancias químicas (morfogenos), que reaccionarían y difundirían en juntos entre si a través de los tejidos, podrían explicar la morfogénesis. Aunque tal sistema podría ser inicialmente homogéneo podría desarrollar más tarde patrones estructurales diferentes debido a la inestabilidad del equilibrio homogéneo inducido por disturbios al azar. Turing discutió en su artículo un posible mecanismo por el cual los genes de un zigote podían determinar la estructura anatómica del organismo resultante.  Ahora Gareth Fraser (U Florida), propone que los dentículos de la piel de los tiburones son establecidos en la vida real por mecanismos semejantes al propuesto por Turing.  Fraser, sugiere que embriones en desarrollo de diversos vertebrados establecen tales patrones en sus capas externas desde que aparecieron los primeros vertebrados.  El modelo de Turing: mecanismo de reaccion-difusion, requiere de un activador y un inhibidor, al diseminarse entre los tejidos. El activador inicia el proceso, formando una mancha y promoviendo su producción, en tanto que el   inhibidor detendría las 2 acciones, diseminándose más rápido, impidiendo la formación de bolsillos de activación. Dependiendo de cuando y donde fuesen liberados, los bolsillos de activación se las arreglarían para formar puntos y rayas espaciadas. Según Turing, una fila de puntos inicial estimularía la producción de filas de puntos paralelas a los lados del embrión hasta cubrirla. Rory Cooper, asegura que desde muy antiguo   los tiburones tenían dentículos (escamas), que cubrían su cuerpo a modo de una armadura, sirviendo como protección, para disminuir la fricción o, para albergar bacterias, útiles en la comunicación. Los colegas de Fraser construyeron un modelo de interacciones matemáticas entre el activador y el inhibidor, logrando que las frecuencias de difusión, producción y degradación de los 2 morfogenos   produjeran s patrones semejantes a la piel del tiburón.  Cuando Cooper empleo hibridación in situ, una técnica de expresión luminosa de genes en tejidos noto que estos se encendían tanto en tiburones como en pollos, expresando mecanismos altamente conservadores.  En Biología, si se reduce la expresión de un gene y el patrón desaparece, se concluye que el gene suprimido juega un rol importante en la producción del patrón. Cooper empleo un químico para inhibir al activador de las plumas del pollo, impregnándolo a lo largo de los proto-dentículos   del embrión del tiburón. De otro lado, los químicos para inhibir la expresión de la activación de los genes de un ave tenían efecto idéntico en un tiburón, formando una zona plana muerta desprovista de dentículos, lográndose corregir además la producción, degradación y frecuencias de difusión del activador e inhibidor.  La naturaleza bastante conservadora, favorece la diversidad biológica basándose en un set estricto de principios reusados una y otra vez, evolutivamente.