Dê uma espiada em uma piscina de maré ao longo da costa e você poderá ver uma estrela do mar agarrada silenciosamente a uma rocha. Mas essa idade adulta segura vem às custas de uma jornada larval angustiante. Minúsculas larvas de estrela do mar - cada uma menor do que um grão de arroz - passam 60 dias e 60 noites remando no oceano aberto, alimentando-se para acumular a energia necessária para se metamorfosear na forma familiar de estrela.

Ao longo do caminho, as larvas devem fazer escolhas entre remar em busca de alimento e ficar exausto com a jornada. Agora em um Física da Natureza paper, uma equipe liderada pelo bioengenheiro de Stanford, Manu Prakash, revelou o mecanismo bonito e eficiente que permite que essas criaturas humildes sobrevivam até a idade adulta.

"Nós mostramos que a natureza equipa essas larvas para agitar a água de forma a criar vórtices que servem a dois propósitos evolutivos:mover os organismos ao mesmo tempo em que traz comida perto o suficiente para agarrar, "disse Prakash, um professor assistente de bioengenharia e recente vencedor do subsídio "gênio" da Fundação MacArthur.

Usando técnicas experimentais que capturam a beleza visual e os fundamentos matemáticos deste mecanismo, os pesquisadores mostram como a forma e a forma das larvas da estrela do mar habilitam as funções necessárias para sustentar a vida.

"Quando vemos formas estranhas e bonitas na natureza, nós as trazemos de volta ao laboratório e perguntamos por que elas evoluíram dessa forma, "Prakash disse." Essa é a perspectiva que trazemos para a biologia:entender matematicamente como a física molda a vida. "

William Gilpin, primeiro autor do artigo e estudante de graduação no Prakash Lab, disse que essas descobertas lançam luz sobre desafios evolutivos semelhantes, envolvendo dezenas de invertebrados marinhos que estão relacionados com larvas de estrelas do mar de uma forma importante.

"A evolução busca satisfazer as restrições básicas, "Gilpin disse." A primeira solução que funciona muito frequentemente vence. "

Vórtices complexos

Esses experimentos começaram no verão de 2015 na Hopkins Marine Station de Stanford em Pacific Grove, Califórnia. Os pesquisadores estavam fazendo um curso de embriologia quando começaram a se perguntar sobre os fundamentos evolutivos da forma da larva da estrela do mar - por que ela acabou parecendo com o que era?

Trazendo essa curiosidade de volta ao laboratório, o grupo estudou os organismos de forma sistemática, alimentar as larvas com algas nutritivas e observar seus movimentos com microscópios habilitados para vídeo.

"Nosso primeiro momento eureca foi quando vimos os complexos vórtices fluindo ao redor desses animais, "disse Vivek Prakash (sem parentesco), um pós-doutorado em bioengenharia e terceiro membro da equipe. "Isso foi lindo, inesperado e prendeu a todos nós. Queríamos descobrir como e por que esses animais faziam esses fluxos complexos. "

Gilpin disse que os vórtices eram intrigantes porque pareciam não fazer nenhum sentido evolucionário. Foi necessária muita energia para criar fluxos de água em espiral; portanto, uma larva com apenas três imperativos - alimentar, mover e crescer - tinha que ter um motivo para despender tanto esforço.

Orquestra de cílios

Depois que os pesquisadores descobriram como as larvas faziam a água girar, esse entendimento os levou ao porquê, e o experimento se concentrou em uma das estruturas mais prevalentes da evolução, os cílios, da palavra latina para cílios.

Imagine que os cílios em uma larva de estrela do mar são como os remos que podem ser usados ​​para remar uma antiga galera - exceto que cada larva tem cerca de 100, 000 remos, dispostos no que os pesquisadores chamam de faixas ciliares que circundam o organismo em um padrão muito mais complexo do que os remos de qualquer galera.

A metáfora do remo sugere a complexidade que os pesquisadores descobriram enquanto estudavam como esses 100, 000 cílios enxamearam a larva através da água.

Como remos, os cílios tinham três ações potenciais:para frente, inverta e pare. E assim como com os remos, os cílios se moviam em diferentes padrões sincronizados para criar movimentos diferentes. Presumivelmente orquestrado por seu sistema nervoso, a larva bate 100, 000 cílios em certos padrões quando quer se alimentar, de modo a girar a água de uma forma que aproxime as algas o suficiente para agarrá-la. Então, com uma vibração diferente de cílios, a larva cria um novo padrão de espirais e acelera.

Os pesquisadores perceberam que estavam observando um mecanismo ativo e até então desconhecido que aumentava as chances de sobrevivência da larva. A estrutura física da larva da estrela do mar, controlado por seus nervos, permite que ele faça compensações entre alimentação e velocidade - persistindo sempre que as algas forem abundantes, em seguida, disparando caso os nutrientes se tornem escassos.

Ao considerarem as implicações dessas descobertas, os pesquisadores levantaram a hipótese de que este mecanismo de alimentação versus velocidade provavelmente se aplica a outras larvas de invertebrados que - embora sejam diferentes das larvas de estrelas do mar na forma - são conhecidas por terem bandas ciliares semelhantes. Em experimentos futuros, os pesquisadores de Stanford planejam usar as mesmas técnicas para estudar essas outras formas larvais. O que eles esperam aprender é como a evolução assumiu um certo mecanismo, a banda ciliar, e resolveu o mesmo trade-off feed-versus-speed em dezenas de diferentes formas e formatos.

"Isso é o que fazemos no meu laboratório, "Prakash disse, "procuramos os princípios fundamentais que podemos expressar em equações para descrever a beleza, diversidade e funções das diferentes formas de vida. "

Prakash também é membro do Stanford Bio-X e Stanford ChEM-H e afiliado do Stanford Woods Institute for the Environment.