Engenheiros usam matemática para estudar variação de cor de peixe: 'Beleza complexa da realidade biológica'
Os peixes-cofre fascinam cientistas e entusiastas da vida marinha há décadas. Apesar do formato quadrado, são nadadores ágeis, o que inspira pesquisas sobre como se locomovem. Além disso, são fofos, com boquinhas que fazem beicinho e corpos cúbicos que vêm em uma variedade de padrões brilhantes e chamativos: amarelo com bolinhas pretas, cinza com listras azuis e muito mais.
Leia mais: peixe de 66 milhões de anos é identificado por pesquisadores da Uerj
'Nem era possível botar dedo na água': seca extrema e água a 41ºC dizimaram botos na Amazônia, diz estudo
Dois engenheiros da Universidade do Colorado, nos Estados Unidos, estão particularmente intrigados com as manchas, listras e hexágonos encontrados em uma espécie australiana da família dos peixes-cofre: o peixe-cofre-ornamentado. Eles descobriram que os desenhos na pele dessa espécie podem ser descritos e reproduzidos usando matemática aplicada há décadas, explorada por Alan Turing, frequentemente considerado o pai da computação moderna.
Os engenheiros Siamak Mirfendereski e Ankur Gupta revelaram recentemente um modelo matemático capaz de recriar com precisão os padrões ornamentados do peixe-cofre, levando em consideração até mesmo a granulosidade e outras imperfeições observadas na natureza. Segundo Gupta, o modelo, descrito em um estudo publicado na semana passada na revista Matter, aproxima os cientistas da compreensão dos mecanismos pelos quais esses padrões se formam na natureza em peixes e outros organismos.
“Isso ajuda a preencher a lacuna entre os modelos matemáticos e a beleza complexa da realidade biológica”, escreveu Gupta em um e-mail.
Engenheiros usam matemática para estudar variação de cor de peixe
Reprodução
Ele acrescentou que, um dia, esse conhecimento poderá levar a tecidos bioinspirados para camuflagem ou a avanços na robótica flexível, que se afasta dos equipamentos rígidos típicos para construir máquinas com materiais mais macios, como o silicone.
O trabalho de Gupta é uma extensão de um modelo teórico que Turing publicou em 1952. O modelo de Turing baseava-se na interação entre a difusão — um processo pelo qual as partículas se espalham para regiões onde são menos populosas — e as reações químicas pelas quais essas partículas passam.
A difusão geralmente leva a algo uniforme: pingue um pouco de corante alimentar em um copo de água morna, por exemplo, e o líquido eventualmente adquirirá uma tonalidade consistente. Mas, sob certas condições, argumentou Turing, a combinação de difusão e reação química poderia fazer com que as partículas se organizassem espontaneamente em listras, manchas e outros padrões. Estes ficaram conhecidos como padrões de Turing.
A matemática por trás dos padrões de Turing ajudou a explicar como a natureza cria as manchas em um leopardo, os redemoinhos em conchas marinhas e outros padrões encontrados em sistemas biológicos. Ela também foi usada para descrever a formação de impressões digitais humanas, a formação de ondulações na areia e a dispersão da matéria pelas galáxias.
Programas de computador que simulam processos de difusão e reação conseguiram replicar alguns padrões biológicos. Mas, segundo Gupta, eles frequentemente produzem resultados idealizados demais, que não capturam imperfeições naturais, como variações de tamanho ou espessura, quebras de linha e granulação. Simulações desenvolvidas pelo grupo de Gupta, que imitavam o comportamento das células pigmentares na pele do peixe-cofre-ornamentado, também criaram desenhos com bordas borradas, em vez de nítidas como na vida real.
“Um sistema difusivo é, por definição, difuso”, disse Gupta. “Então, como é possível obter padrões nítidos?”
Em 2023, um aluno do grupo de Gupta resolveu esse problema adicionando um tipo diferente de movimento celular à simulação. As células em um fluido podem se aglomerar e se mover juntas, puxadas pelo movimento de outras partículas em difusão, explicou Gupta. Esse processo, conhecido como difusioforese, é também como o sabão remove a sujeira das roupas durante a lavagem.
Como resultado, os padrões simulados do peixe-cofre apareceram mais nítidos e definidos. Para introduzir imperfeições nesses padrões, Mirfendereski aprimorou ainda mais a simulação, levando em conta o fato de as células individuais colidirem umas com as outras.
À medida que os padrões surgiam, as imperfeições também apareciam. As listras simuladas do peixe-cofre eram finas em algumas partes, mas mais grossas em outras, além de estarem interrompidas em alguns pontos. As laterais de alguns hexágonos nunca se formaram, enquanto outras pareciam fragmentadas ou bulbosas. Manchas dentro dos hexágonos se estendiam ou se misturavam.
Segundo Gupta, essas imperfeições podem ser ajustadas. Mas a simulação ainda é uma versão simplificada da realidade. Ela não leva em conta interações mais complexas entre as células. E, assim como o modelo matemático original de Turing, carece de detalhes sobre a produção de pigmentos e outros mecanismos biológicos.
Ainda assim, o modelo d
Fonte original: abrir
