O distúrbio secreto de lulas

Muitos sistemas densamente embalados na natureza têm uma estrutura oculta. Seus componentes constituintes parecem estar organizados aleatoriamente em pequenas escalas, mas, após o zoom, esses padrões se tornam mais uniformes. Esse fenômeno é conhecido como hiperuniformidade. Por exemplo, o universo se torna uniforme em escalas maiores (ver Notícias de pesquisa: The Cosmos como um colóide). Conte o número de galáxias em faixas cada vez mais grandes do céu, e a variação cresce mais lentamente do que se as galáxias fossem distribuídas aleatoriamente. Por outro lado, os sistemas em que a variação aumenta em escalas maiores são hiperdisortos. Esse fenômeno aparece em matéria suave e fluidos confinados. Agora, Robert Ross e seus colegas no Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, no Japão, relataram o primeiro exemplo de hiperdissorder em um sistema biológico – a pele de uma lula de bebê (1).

Os cientistas que olham para sistemas densamente embalados se concentraram principalmente em matéria inanimada, como colóides, cristais e óculos. Mas os sistemas biológicos diferem significativamente: eles podem crescer. Embora os pesquisadores tenham observado hiperuniformidade em alguns exemplos biológicos, como cones em retinas e veias de aves nas folhas, o crescimento não parece desempenhar um papel no surgimento da hiperuniformidade nesses sistemas. Para investigar como o crescimento molda o comportamento de densos sistemas desordenados, os pesquisadores precisavam de um sistema de vida lotado no qual pudessem rastrear componentes individuais.

Lulas ovais juvenis, cujas peles são pontilhadas com células produtoras de pigmentos chamadas cromatóforos que parecem um punhado de sardas, desde que vislumbre. “O Oval Squid é um candidato perfeito porque os cromatóforos são muito visíveis e estão em uma única camada da pele”, explica Simone Pigolotti, pesquisador sênior do estudo. “E eles não se movem, então você sabe que eles também trabalham como traçadores para monitorar a expansão da superfície”.

Os pesquisadores fotografaram lulas, todas com oito semanas após a eclosão, e analisaram os padrões de cromatóforo em suas peles. As células maiores foram cercadas por muitos menores em um padrão semelhante à treliça, com uma separação aproximadamente consistente entre todas as células. Diferentes manchas de pele tinham um número variável de células, e essas diferenças se tornaram mais pronunciadas para áreas maiores da pele. Essa tendência é típica de um sistema hiperdistorado.

Para entender as origens desse hiperdisome, os pesquisadores desenvolveram um modelo que representava a pele da lula como uma superfície de crescimento linear, onde novos cromatóforos surgiram aleatoriamente entre os mais antigos – mas apenas se houvesse espaço suficiente. Com o tempo, a densidade dos cromatóforos na pele oscilou. O crescimento expandiu a pele, de modo que a densidade celular caiu; Então, novas células apareceram nas lacunas e a trouxeram de volta.

De acordo com o experimento, as células do modelo foram organizadas em bolsões de irregularidades espalhadas por uma estrutura uniformemente semelhante à treliça. A inserção aleatória das células criou um distúrbio de curta escala, que o crescimento exportou para grandes escalas. Os pesquisadores concluíram que a interação entre crescimento e empacotamento celular aleatória produz hiperdisordem nesse sistema.

De acordo com David Brückner, biofísico teórico da Universidade de Basileia, na Suíça, o estudo “propõe um novo mecanismo de como as estruturas hiperdistoradas podem surgir”. Ele revela uma nova biologia também. “Embora os padrões de animais sejam frequentemente descritos no âmbito dos sistemas de reação -difusão, aqui, os acoplamentos locais orquestram o padrão à medida que novas células aparecem em um tecido durante o crescimento”, acrescenta Brückner, que não estava envolvido no trabalho.

Em outro experimento, Pigolotti e seus colegas rastrearam o crescimento das células por várias semanas depois que as lutas eclodiram. À medida que o sistema crescia, o aumento do tamanho das células e as distâncias entre eles foi compensado por novas células menores que preenchem as lacunas. Consequentemente, mesmo quando a área da superfície aumentou, a densidade celular permaneceu estável – como sua distribuição de tamanho. O modelo mostrou que, para que isso aconteça, as células mais jovens devem crescer mais lentamente do que as células mais antigas, indicando que as células individuais devem ter alguma noção da idade do animal. Brückner diz que “levanta questões realmente interessantes sobre como isso pode ser alcançado mecanicamente”.

Pesquisas adicionais devem investigar os mecanismos pelos quais os cromatóforos rastreiam a idade da lula e se a escala de hiperdissordes serve a um objetivo funcional. A simplicidade do mecanismo descrito neste trabalho, sugerem os pesquisadores, significa que o hiperdissorder pode ser uma característica de outros sistemas desordenados em crescimento.

Também está subjacente ao tipo de surpresa que a biologia pode oferecer. “Muitas vezes, a expectativa é explicar a biologia usando a física, mas este é um exemplo interessante em que, tentando explicar um fenômeno biológico, descobrimos uma nova física”, disse Pigolotti.

–Sachin Rawat

Sachin Rawat é um escritor de ciências freelancers com sede em Bangalore, Índia.

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