Investigadores de Caltech dicen haber identificado una forma matemática de explicar por qué los moluscos pueden construir conchas llamativamente consistentes en distintos entornos. El trabajo, dirigido por el ingeniero y científico de materiales Kaushik Bhattacharya y el posdoctorando Huan Liu, describe el crecimiento de la concha con un pequeño conjunto de variables capaz de reproducir formas que van de espirales de nautilo a abanicos de vieira.
Datos clave
- El estudio se publicó en Proceedings of the National Academy of Sciences el 23 de octubre.
- Los investigadores dicen que su modelo usa tres elementos: la curva del borde de crecimiento de la concha, un factor de escala y un ángulo de rotación.
- El enfoque puede reproducir las conchas características de casi cualquier clase de molusco.
- El equipo afirma que el proceso es pasivo y eficiente energéticamente, y que podría inspirar la fabricación de piezas complejas.
- El artículo se titula “Local growth laws determine global shape of molluscan shells”.
Por qué importa este modelo del crecimiento de la concha para la ingeniería
Para ingenieros y científicos de materiales, la relevancia práctica está en la simplicidad del modelo: los investigadores dicen que muchas formas de concha pueden surgir de un crecimiento local repetido en el borde, en lugar de un sistema que controle toda la estructura. Eso vuelve el resultado pertinente para diseñar formas más suaves y menos intensivas en energía para fabricar piezas complejas.
Los investigadores señalan en particular posibles usos en la fabricación de colectores especializados para motores a reacción. Su marco sugiere que cambiar solo dos valores de la ley de crecimiento puede producir conchas muy distintas sin perder la forma general repetible.
- Qué determina la forma: la curva inicial, la tasa de crecimiento y el ángulo de rotación.
- Qué se mantiene estable: la forma global de la concha sigue siendo repetible aunque cambie la tasa de crecimiento o aparezca un pequeño defecto.
- Qué podría venir después: nuevos métodos de fabricación que imiten el crecimiento biológico pasivo.
¿Cómo siguen los moluscos haciendo la misma concha?
Los investigadores dicen que la respuesta está en una regla de crecimiento repetida en el borde delantero de la concha. Una vez que se forma el protoconcha, cada paso de crecimiento determina el siguiente, y el nuevo material se añade solo a lo largo de esa curva. En el modelo, toda la concha puede reconstruirse repitiendo esas acciones locales con el tiempo.
Bhattacharya y Liu afirman que las líneas de crecimiento de la concha conservan la misma forma de una etapa a la siguiente, con diferencias captadas por la escala y la rotación. Eso los llevó a describir el proceso con un grupo de Lie, un marco matemático para acciones suaves y repetidas.
¿Qué mostró el modelo en distintas clases de moluscos?
El modelo fue capaz de generar las formas de casi todas las conchas de moluscos conocidas cambiando la curva inicial y el factor de escala. Los investigadores dicen que el valor de escala, lambda, es biológicamente significativo: las conchas dentro de la misma clase de molusco tienen casi el mismo lambda, y las cinco clases con concha ocupan cada una su propio rango estrecho de valores.
Esas clases son Gastropoda, Bivalvia, Cephalopoda, Monoplacophora y Scaphopoda. El hallazgo sugiere que la forma de la concha no solo es visualmente diversa, sino que también está organizada por un pequeño conjunto de parámetros de crecimiento subyacentes.
¿Qué significa esto para el diseño de materiales?
El equipo dice que las conchas de moluscos son a la vez pasivas y eficientes energéticamente, porque el animal no necesita un control adicional para dirigir cada etapa posterior de la construcción. Eso es lo que hace atractiva esta biología como principio de diseño para la fabricación.
Bhattacharya dijo que los resultados sugieren métodos de fabricación más suaves y menos intensivos en energía para producir piezas complejas. El trabajo contó con apoyo de la Drinkward Postdoctoral Fellowship y la Howell N. Tyson, Sr., Professorship en Caltech.
