No podríamos sobrevivir sin esa regulación, llamada homeostasis. Y cuando los sistemas se averían, los resultados pueden provocar enfermedades o, a veces, la muerte.
En presentaciones en la reunión anual de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia, los investigadores argumentaron que las matemáticas pueden ayudar a explicar y predecir esas fallas, ofreciendo potencialmente nuevas formas de tratar los sistemas para prevenirlos o solucionarlos cuando las cosas van mal. La reunión se llevó a cabo prácticamente a principios de este año debido a la pandemia de COVID-19.
La homeostasis "es un fenómeno biológico y los sistemas biológicos no funcionarían sin él", dijo Marty Golubitsky, uno de los presentadores y profesor distinguido de ciencias naturales y matemáticas en la Universidad Estatal de Ohio. "Y si tuviera modelos matemáticos precisos y detallados, podría explorar numéricamente esos sistemas, encontrar lugares donde realmente ocurre este control, y luego podría estimar cómo van mal las cosas y cómo podría corregirlo".
Los científicos tienen un buen manejo de las razones biológicas por las que ocurre esa regulación: ciertos sistemas en nuestros cuerpos deben permanecer constantes para funcionar y mantener nuestros cuerpos con vida. Sin embargo, las matemáticas detrás de esto son menos seguras.
Pero comprender la homeostasis, incluida la predicción de cambios en ella y el cálculo de formas de mantener el cuerpo regulado a pesar de las fallas en los sistemas del cuerpo que administran esas regulaciones, podría ser una forma de brindar atención médica dirigida a las personas que la necesitan, dijo Janet Best, coautora de algunas de las investigaciones detrás de las presentaciones y profesor de matemáticas en Ohio State.
"Esto es parte de la medicina de precisión", dijo Best, quien también es codirector del Instituto de Biociencias Matemáticas del Estado de Ohio. "Las personas son diferentes y se necesita un modelo que pueda funcionar en diferentes personas. Y creemos que eso es lo que hemos desarrollado aquí".
Investigadores del MBI y de otras instituciones que estudian cómo se cruzan las matemáticas y la biología han construido modelos para explicar cómo el cuerpo mantiene la homeostasis en una variedad de sistemas. En el corazón de esos modelos hay un gráfico, un concepto matemático que busca explicar cómo se relacionan los objetos entre sí. (Si estudió álgebra o geometría en la escuela secundaria, es probable que haya aprendido algunos de los conceptos básicos de la teoría de grafos).
Golubitsky y Best dijeron que la teoría de grafos puede ayudar a explicar y predecir cambios en la homeostasis en el cuerpo. Dicen que esa explicación podría ser útil para los biólogos y otras personas que buscan formas de intervenir cuando se rompe la homeostasis. Esa degradación causa una serie de problemas: demasiada glucosa en la sangre de una persona, por ejemplo, o falta de calcio en los huesos.
Las presentaciones de la AAAS se centraron tanto en un gráfico que modela cómo el cuerpo regula los niveles de dopamina a través de la homeostasis como en cómo la teoría de grafos ayuda a identificar las propiedades de los gráficos que pueden ayudar a predecir la homeostasis. Golubitsky y Best describieron cómo la dopamina y las enzimas que la descomponen pueden representarse como una fórmula matemática asociada con un gráfico.
Demostraron que, al calcular los cambios en los nodos, podría ser posible calcular o predecir cambios en los niveles de dopamina. Ese enfoque podría ampliarse a otros sistemas, dijo Golubitsky, aunque se necesitan estudios futuros para saberlo con certeza. Ese estudio ya está en marcha, dijo.
"La homeostasis es un área lo suficientemente importante en biología que si las matemáticas pueden aportar algo, es un éxito", dijo.
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