Como a Difusiophoresis Molda os Padrões de Cores na Natureza
Os padrões na pele dos animais, como as listras das zebras e as manchas coloridas dos sapos venenosos, desempenham várias funções na biologia. Essas funções incluem a regulação da temperatura, camuflagem e sinais de alerta.
Para servirem efetivamente a esses propósitos, as cores que compõem esses padrões precisam ser distintas e bem separadas. Por exemplo, no papel de sinais de alerta, cores distintas garantem que eles sejam claramente visíveis para outros animais. No caso da camuflagem, cores bem separadas permitem que os animais se misturem perfeitamente ao seu ambiente.
Em um estudo recentemente publicado na Science Advances, eu, juntamente com meu aluno Ben Alessio, propomos um mecanismo potencial para explicar a formação desses padrões únicos. Esse mecanismo tem o potencial de ter aplicações em diagnósticos médicos e no desenvolvimento de materiais sintéticos.
Para compreender melhor o desafio de alcançar padrões de cores distintas, considere um experimento mental. Visualize a introdução suave de gotas de corante azul e vermelho em um copo d’água.
Com o tempo, as gotas se dispersarão na água devido à difusão, onde as moléculas se movem de áreas de maior concentração para áreas de menor concentração. Eventualmente, a água atingirá uma concentração uniforme de corantes azuis e vermelhos, resultando em uma tonalidade roxa. Esse processo de difusão tende a criar uma coloração uniforme.
Isso levanta a questão: como podem surgir padrões de cores distintas na presença de difusão?
O Papel do Movimento e das Fronteiras
Em 1952, o matemático Alan Turing abordou essa questão em seu influente artigo intitulado “A Base Química da Morfogênese”. Turing demonstrou que, sob condições específicas, as reações químicas envolvidas na produção de cores podem interagir de maneira a contrabalançar a difusão.
Essa interação permite que as cores se auto-organizem, formando regiões interconectadas com cores diferentes, conhecidas como padrões de Turing.
No entanto, em modelos matemáticos, as fronteiras entre essas regiões de cor muitas vezes estão borradas devido à difusão. Isso contrasta com as fronteiras nítidas e cores bem separadas geralmente observadas na natureza.
Nossa equipe de pesquisa formulou a hipótese de que pistas sobre como os animais criam padrões de cores distintas podem ser encontradas em experimentos de laboratório envolvendo partículas de tamanho micron, semelhantes às células responsáveis pela produção de cores na pele dos animais.
Trabalhos anteriores, incluindo os meus e de outros pesquisadores, mostraram que partículas de tamanho micron formam estruturas em faixas quando colocadas entre regiões com alta e baixa concentração de outros solutos dissolvidos.
No contexto do nosso experimento mental, mudanças na concentração de corantes azuis e vermelhos na água podem induzir o movimento de outras partículas no líquido. À medida que o corante vermelho se desloca para áreas com menor concentração, partículas próximas são arrastadas junto com ele, um fenômeno conhecido como difusiophoresis.
Difusiophoresis na Vida Cotidiana
A difusiophoresis possui aplicações práticas na vida cotidiana, como na lavanderia, onde moléculas de sabão se difundem para fora das roupas e para a água, fazendo com que as partículas de sujeira se afastem do tecido.
Criando Fronteiras Nítidas
Nossa pesquisa buscou determinar se os padrões de Turing compostos por regiões com diferenças de concentração também poderiam influenciar partículas de tamanho micron. Se sim, os padrões resultantes teriam fronteiras nítidas e bem definidas em vez de serem borrados?
Para responder a essa pergunta, conduzimos simulações computacionais de padrões de Turing, incluindo hexágonos, listras e manchas duplas. Essas simulações revelaram que a difusiophoresis aprimorou significativamente a distintividade dos padrões resultantes em todos os casos.
De forma impressionante, nossas simulações de difusiophoresis conseguiram replicar os intrincados padrões encontrados na pele de animais como o peixe-boxe ornamentado e a enguia-de-jóias, uma realização não alcançável apenas com a teoria de Turing.
Além disso, nosso modelo reproduziu com sucesso os resultados de um estudo de laboratório sobre como a bactéria E. coli transporta cargas moleculares dentro de si mesma. A difusiophoresis resultou em padrões de movimento mais nítidos, confirmando seu papel como um mecanismo físico que contribui para a formação de padrões biológicos.
Dado que as células responsáveis pela produção de pigmentos na pele dos animais também têm tamanho micron, nossos achados sugerem que a difusiophoresis pode desempenhar um papel crucial na formação de padrões de cores distintas na natureza.
Aprendendo com a Natureza
Compreender como a natureza realiza funções específicas pode orientar os pesquisadores na criação de sistemas sintéticos que desempenhem tarefas semelhantes.
Experimentos de laboratório demonstraram que a difusiophoresis pode ser usada para criar filtros de água sem membrana e ferramentas econômicas para o desenvolvimento de medicamentos.
Nossa pesquisa sugere que combinar as condições necessárias para padrões de Turing com a difusiophoresis poderia estabelecer a base para patches de pele artificial. Assim como os padrões de pele adaptativos observados em animais, as mudanças nos padrões de Turing, de hexágonos para listras, poderiam indicar variações subjacentes nas concentrações químicas dentro ou fora do corpo.
Esses patches de pele poderiam potencialmente diagnosticar condições médicas e monitorar a saúde de um paciente detectando mudanças em marcadores bioquímicos. Eles também poderiam detectar variações na concentração de produtos químicos prejudiciais no ambiente.
Pesquisas Futuras
Embora nossas simulações tenham se concentrado principalmente em partículas esféricas, as células responsáveis pela produção de pigmentos na pele têm formas variadas. O efeito da forma na formação de padrões intrincados permanece obscuro e requer investigações adicionais.
Além disso, as células de pigmento operam em um ambiente biológico complexo, e mais pesquisas são necessárias para entender como esse ambiente inibe o movimento e potencialmente estabiliza os padrões.
Além dos padrões de pele de animais, os padrões de Turing também são cruciais para outros processos, como o desenvolvimento embrionário e a formação de tumores. Nossa pesquisa sugere que a difusiophoresis pode desempenhar um papel subestimado, mas importante, nesses fenômenos naturais.
Ao estudar como os padrões biológicos se formam, os pesquisadores podem se aproximar de replicar suas funções no laboratório, uma busca com o potencial de beneficiar a sociedade de diversas maneiras. Compreender como a natureza realiza funções específicas pode orientar os pesquisadores na criação de sistemas sintéticos que desempenhem tarefas semelhantes.
Experimentos de laboratório demonstraram que a difusiophoresis pode ser usada para criar filtros de água sem membrana e ferramentas econômicas para o desenvolvimento de medicamentos.
Nossa pesquisa sugere que combinar as condições necessárias para padrões de Turing com a difusiophoresis poderia estabelecer a base para patches de pele artificial. Assim como os padrões de pele adaptativos observados em animais, as mudanças nos padrões de Turing, de hexágonos para listras, poderiam indicar variações subjacentes nas concentrações químicas dentro ou fora do corpo.
Esses patches de pele poderiam potencialmente diagnosticar condições médicas e monitorar a saúde de um paciente detectando mudanças em marcadores bioquímicos. Eles também poderiam detectar variações na concentração de produtos químicos prejudiciais no ambiente. [Science Alert]
