Como a zebra conseguiu suas listras com padrões tão bonitos? A resposta pode vir do matemático Alan Turing.
Como a zebra ganhou suas listras tão estilosas? A resposta pode estar nas mãos do matemático Alan Turing.
- Muitos animais, desde zebras até peixes, possuem padrões únicos em sua pele.
- Essas listras, manchas e borrões podem ajudar a camuflar um animal ou atrair um parceiro.
- Pesquisadores propuseram uma explicação de como os padrões se formam baseados nos “padrões de Turing”.
Padrões na pele de animais, como listras de zebra e manchas de sapos venenosos, têm várias funções biológicas, incluindo regulação de temperatura, camuflagem e sinais de alerta. As cores que compõem esses padrões devem ser distintas e bem separadas para serem eficazes. Por exemplo, como sinal de alerta, cores distintas tornam-nos claramente visíveis para outros animais. E como camuflagem, cores bem separadas permitem que os animais se misturem com o ambiente.
Em nossa pesquisa recém-publicada na Science Advances, meu aluno Ben Alessio e eu propomos um mecanismo potencial explicando como esses padrões distintivos se formam – que poderiam ser aplicados em diagnósticos médicos e materiais sintéticos.
Um experimento mental pode ajudar a visualizar o desafio de alcançar padrões de cores distintos. Imagine adicionar suavemente uma gota de corante azul e vermelho em um copo de água. As gotas se dispersarão lentamente na água devido ao processo de difusão, onde as moléculas se movem de uma área de maior concentração para uma área de menor concentração. Eventualmente, a água terá uma concentração uniforme de corante azul e vermelho e se tornará roxa. Portanto, a difusão tende a criar uniformidade de cor.
Surge naturalmente uma pergunta: Como os padrões de cores distintos se formam na presença de difusão?
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Movimento e limites
O matemático Alan Turing abordou essa pergunta pela primeira vez em seu seminário de 1952, “A Base Química da Morfogênese“. Turing mostrou que, sob condições apropriadas, as reações químicas envolvidas na produção de cor podem interagir umas com as outras de maneira que contrapõe a difusão. Isso torna possível que as cores se auto-organizem e criem regiões interconectadas com cores diferentes, formando o que hoje é chamado de padrões de Turing.
No entanto, em modelos matemáticos, os limites entre as regiões de cor são difusos devido à difusão. Isso é diferente da natureza, onde os limites geralmente são nítidos e as cores estão bem separadas.
Nossa equipe achou que uma pista para descobrir como os animais criam padrões de cor distintivos poderia ser encontrada em experimentos de laboratório com partículas de tamanho micron, como as células envolvidas na produção das cores da pele de um animal. Meu trabalho e o trabalho de outros laboratórios descobriram que partículas de tamanho micron formam estruturas em faixas quando colocadas entre uma região com alta concentração de outros solutos dissolvidos e uma região com baixa concentração de outros solutos dissolvidos.
No contexto de nosso experimento mental, mudanças na concentração de corantes azul e vermelho na água podem impulsionar outras partículas no líquido a se moverem em direções específicas. À medida que o corante vermelho se move para uma área onde está em uma concentração mais baixa, partículas próximas serão levadas junto com ele. Esse fenômeno é chamado de difusiophoresis.
Você se beneficia da difusiophoresis sempre que lava suas roupas: Partículas de sujeira se afastam de suas roupas à medida que moléculas de sabão se difundem da sua camisa para a água.
Desenhando fronteiras nítidas
Nós nos perguntamos se os padrões de Turing compostos por regiões de diferenças de concentração também poderiam mover partículas de tamanho micrométrico. Se sim, os padrões resultantes dessas partículas seriam nítidos e não borrados?
Para responder a essa pergunta, realizamos simulações computacionais de padrões de Turing – incluindo hexágonos, listras e manchas duplas – e descobrimos que a difusiophorese torna os padrões resultantes significativamente mais distintos em todos os casos. Essas simulações de difusiophorese foram capazes de replicar os padrões intricados na pele dos peixes-baú ornamentais e enguias-jóia, o que não é possível apenas com a teoria de Turing.
Para dar suporte adicional à nossa hipótese, nosso modelo foi capaz de reproduzir os resultados de um estudo de laboratório sobre como a bactéria E. coli move carga molecular dentro de si mesmas. A difusiophorese resultou em padrões de movimento mais nítidos, confirmando seu papel como mecanismo físico por trás da formação de padrões biológicos.
Devido às células que produzem os pigmentos que compõem as cores da pele de um animal também serem micrométricas, nossas descobertas sugerem que a difusiophorese pode desempenhar um papel fundamental na criação de padrões de cores distintivos de forma mais ampla na natureza.
Aprendendo o truque da natureza
Compreender como a natureza programa funções específicas pode ajudar os pesquisadores a projetar sistemas sintéticos que desempenhem tarefas semelhantes.
Experimentos laboratoriais demonstraram que os cientistas podem usar a difusiophorese para criar filtros de água sem membrana e ferramentas de desenvolvimento de medicamentos de baixo custo.
Nosso trabalho sugere que a combinação das condições que formam padrões de Turing com a difusiophorese também poderia ser a base de remendos de pele artificiais. Assim como os padrões adaptativos da pele nos animais, quando os padrões de Turing mudam – digamos, de hexágonos para listras – isso indica diferenças subjacentes nas concentrações químicas dentro ou fora do corpo.
Patches de pele que podem detectar essas mudanças poderiam diagnosticar condições médicas e monitorar a saúde de um paciente detectando alterações nos marcadores bioquímicos. Esses patches de pele também poderiam detectar mudanças na concentração de substâncias químicas nocivas no ambiente.
O trabalho futuro
Nossas simulações focaram exclusivamente em partículas esféricas, enquanto as células que criam pigmentos na pele têm formas variadas. O efeito da forma na formação de padrões intricados ainda não está claro.
Além disso, as células de pigmento se movem em um ambiente biológico complicado. Mais pesquisas são necessárias para entender como esse ambiente inibe o movimento e potencialmente congela os padrões no local.
Além dos padrões de pele animal, os padrões de Turing também são cruciais para outros processos, como o desenvolvimento embrionário e a formação de tumores. Nosso trabalho sugere que a difusiophorese pode desempenhar um papel subestimado, mas importante, nesses processos naturais.
O estudo da formação de padrões biológicos ajudará os pesquisadores a dar mais um passo em direção à imitação de suas funções no laboratório – um esforço antigo que poderia beneficiar a sociedade.
Ankur Gupta é professor assistente de engenharia química e biológica na Universidade do Colorado Boulder.
