28/07/2020 - 12:46
Os padrões de animais – as listras, manchas e rosetas vistas na natureza – são uma fonte interminável de fascínio. Agora, pesquisadores da Universidade de Bath (Reino Unido) desenvolveram um modelo matemático robusto para explicar como uma espécie importante, o peixe-zebra, desenvolve suas listras. Seu estudo foi publicado na revista “eLife”.
No reino animal, o arranjo das células de pigmento da pele começa durante o estágio embrionário do desenvolvimento. Isso torna a formação de padrões uma área de grande interesse não apenas para um público leigo, mas também para cientistas – em particular biólogos e matemáticos do desenvolvimento.
O peixe-zebra é inestimável para o estudo de doenças humanas. Esses humildes peixinhos de água doce parecem ter pouco em comum com os mamíferos. Na verdade, porém, eles mostram muitas semelhanças genéticas com nossas espécies e possuem uma lista semelhante de características físicas (incluindo a maioria dos principais órgãos).
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O peixe-zebra também fornece vislumbres fundamentais sobre os processos complexos e muitas vezes maravilhosos que sustentam a biologia. Estudar sua aparência pode, com o tempo, ser relevante para a medicina, pois a formação de padrões é uma característica geral importante do desenvolvimento de órgãos. Portanto, compreender melhor a formação do padrão de pigmento pode nos dar informações sobre as doenças causadas pela interrupção dos arranjos celulares dentro dos órgãos.
Fenômeno emergente
O modelo matemático desenvolvido na Universidade de Bath abre caminho para novas investigações em sistemas de padronização de pigmentos e sua similaridade entre espécies diferentes. A pigmentação no peixe-zebra é um exemplo de um fenômeno emergente – no qual indivíduos (células, nesse caso), todos agindo de acordo com suas próprias regras locais, podem se auto-organizar para formar um padrão ordenado em uma escala muito maior do que se poderia esperar. Outros exemplos de fenômenos emergentes na biologia incluem o agrupamento de estorninhos e a natação sincronizada vista em cardumes de peixes.
Kit Yates, o matemático da Universidade de Bath que liderou o estudo, disse: “É fascinante pensar que essas células de pigmento diferentes, todas agindo sem controle centralizado coordenado, podem produzir de maneira confiável os padrões de listras que vemos no peixe-zebra. Nossa modelagem destaca as regras locais que essas células usam para interagir umas com as outras, a fim de gerar esses padrões de maneira robusta”.
“Por que é importante encontrarmos um modelo matemático correto para explicar as listras do peixe-zebra?” pergunta o professor Robert Kelsh, coautor do estudo. “Em parte, porque os padrões de pigmento são interessantes e bonitos por si só. Mas também porque essas faixas são um exemplo de um processo de desenvolvimento fundamental. Se pudermos entender o que está acontecendo no desenvolvimento de padrões de um embrião de peixe, podemos ser capazes de obter uma visão mais profunda da coreografia complexa das células dentro dos embriões de maneira mais geral.”
Interações
As faixas de um peixe-zebra adulto ‘selvagem’ são formadas a partir de células que contêm pigmentos, chamadas cromatóforos. Existem três tipos diferentes de cromatóforos nos peixes. À medida que o animal se desenvolve, essas células de pigmento se deslocam na superfície do animal, interagindo umas com as outras e se auto-organizando no padrão listrado característico desses peixes. Ocasionalmente, aparecem mutações, alterando a maneira como as células interagem umas com as outras durante o desenvolvimento do padrão. Isso resulta em manchas pontilhadas, de pele de leopardo ou em forma de labirinto.
Os cientistas sabem muito sobre as interações biológicas necessárias para a auto-organização das células de pigmento de um peixe-zebra, mas há alguma incerteza sobre se essas interações oferecem uma explicação abrangente de como tais padrões se formam. Para testar as teorias biológicas, a equipe de Bath desenvolveu um modelo matemático que incorporava os três tipos de células e todas as suas interações conhecidas. O modelo provou ser bem-sucedido, prevendo o desenvolvimento de padrões de peixes selvagens e mutantes.
Há muitos anos os matemáticos procuram explicar como as listras de peixe-zebra se formam. No entanto, muitas tentativas anteriores de modelagem não conseguiam explicar a ampla gama de padrões mutantes observados nos peixes observados. Jennifer Owen, a cientista responsável pela criação e execução do modelo, disse: “Um dos benefícios do nosso modelo é que, devido à sua complexidade, ele pode ajudar a prever os defeitos de desenvolvimento de alguns mutantes menos compreendidos. Por exemplo, nosso modelo pode ajudar a prever as interações célula-célula que são defeituosas em mutantes como no leopardo, que exibe manchas”.
