O comportamento dos organismos vivos pode obedecer às mesmas leis matemáticas dos fenômenos físicos, como o clima e o movimento dos planetas, diz uma nova pesquisa da Unidade de Teoria de Física Biológica do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade de Pós-Graduação (OIST) de Okinawa.

A física tem um histórico de predição e modelagem de movimentos bem-sucedidos em escalas muito diferentes, de moléculas a buracos negros em colisão. Mas quando se trata do comportamento dos organismos vivos, o conceito ainda é muito novo. OIST Ph.D. recente graduado, Dr. Tosif Ahamed, faz parte de um grupo de cientistas pioneiros neste campo. Sua pesquisa, publicado em Física da Natureza , usou uma espécie de minúsculo verme, Caenorhabditis elegans , propor uma estrutura para capturar a estrutura matemática subjacente aos animais em movimento.

"A neurociência tende a se concentrar no que se passa dentro do cérebro, "Dr. Ahamed disse." Mas isso geralmente é expresso por meio do movimento e comportamento de um animal. Portanto, compreender seu comportamento nos dá uma janela para seus cérebros. Recentemente, houve uma explosão de tecnologia que pode registrar o comportamento dos animais em alta resolução. "

Professor Greg Stephens, quem lidera a Unidade OIST, adicionado a isso, "O notável progresso tecnológico permitiu novos, medições de precisão de sistemas vivos em todas as escalas, de moléculas de DNA a células cerebrais, para organismos inteiros. Mas atualmente não temos uma estrutura fundamental para compreender a dinâmica desses sistemas e as sequências de medições ao longo do tempo. Nosso trabalho relatado aqui ajudará a mudar isso. "

C. elegans têm sido uma espécie importante para muitos projetos inovadores em biologia e neurociência, mas é sua simplicidade que os torna ideais para este estudo. Como o Dr. Ahamed explicou, matematicamente falando, a forma de vermes em uma placa 2-D é simplesmente uma curva, que é relativamente fácil de descrever.

A equipe de pesquisa, que incluiu o Dr. Antonio Costa da Vrije Universiteit Amsterdam, usaram gravações de vídeo do worm, e converteu a forma de cada quadro em um conjunto de números. Para fazer isso, eles dividiram o verme em 100 pontos e mediram os ângulos tangentes nesses pontos. Os pesquisadores já haviam descoberto que a postura de um verme poderia ser representada por apenas quatro formas estereotipadas, para o qual eles apelidaram de 'eigenworms'. Essencialmente, misturando esses eigenworms em diferentes quantidades, qualquer um pode desenhar a aparência de um verme em um determinado instante.

Mas neste estudo os pesquisadores analisaram mais profundamente. Em vez de desenhar o worm em um único instante, eles procuraram 'desenhar' a dinâmica de seu comportamento, essencialmente para encontrar a estrutura em uma sequência de formas de vermes.

A analogia do pêndulo

Mostre a alguém o ponto instantâneo de um pêndulo oscilante e eles serão capazes de imaginar como é naquele momento, mas isso não lhes diz nada sobre o que o pêndulo está fazendo. Mas mostre a alguém o ponto atual e um ponto adicional em um momento anterior, e eles saberão tudo sobre o que o pêndulo está fazendo agora e o que fará no futuro.

O grupo de pesquisa adotou uma abordagem semelhante ao estudar os animais, mas isso era muito mais complicado do que com o pêndulo. No início, os pesquisadores tiveram que desenvolver uma nova métrica de previsibilidade. Mede a duração pela qual o futuro de um sistema poderia ser melhor previsto do que apenas suposições aleatórias. Eles então coletaram sequências de formas e as usaram para definir o estado atual de um worm. Os pesquisadores encontraram sete sequências de formas estereotipadas, todos os quais eram notavelmente interpretáveis.

Contudo, ao contrário do pêndulo, os pesquisadores não puderam prever o comportamento do verme indefinidamente. "É como o clima, "Dr. Ahamed disse." Estamos em um ponto onde podemos prever o tempo com um alto nível de certeza para hoje e amanhã, mas depois disso torna-se bastante aleatório. Se eu sei o que um verme está fazendo agora, então posso dizer com bastante segurança o que acontecerá no próximo instante. Mas assim que chegarmos a dois ou três segundos depois, fica mais difícil. "

Dr. Ahamed queria explorar por que o movimento é tão imprevisível. Uma análise mais aprofundada de seus dados sugeriu que a dinâmica caótica pode desempenhar um papel.

A dinâmica caótica se refere a sistemas nos quais pequenas incertezas nas medições podem tornar as previsões de longo prazo impossíveis. Isso pode acontecer mesmo quando um sistema não é influenciado por flutuações aleatórias.

Um exemplo clássico disso é um pêndulo duplo. Mesmo se vários pêndulos duplos forem iniciados aproximadamente da mesma posição, os pêndulos farão movimentos muito diferentes após um curto período de tempo.

O grupo de pesquisa explorou essas ideias com os vermes. Eles descobriram que se dois vermes começarem com comportamentos semelhantes, eles continuarão a agir de forma semelhante por um curto período de tempo (cerca de um segundo) antes de seu comportamento divergir. Notavelmente, o tempo que leva para essa divergência ocorrer é determinado por uma quantidade matemática, que é uma medida fundamental de previsibilidade em sistemas caóticos.

Eles também observaram o movimento por meio de uma lente mais baseada na geometria, mapeando todos os pontos que um verme havia estado para formar uma forma. Surpreendentemente, seus resultados mostraram que a estrutura matemática subjacente ao comportamento dos vermes está intimamente relacionada àquela que governa os fenômenos de conservação de energia. Isso foi inesperado como vermes, como todos os sistemas biológicos, perdem energia por meio da fricção ambiental e do uso de músculos.

"Nunca esperávamos encontrar essa estrutura subjacente ao comportamento, "explicou o Dr. Ahamed." Foi definitivamente a parte mais surpreendente desta pesquisa. "

Embora este estudo tenha olhado especificamente para C. elegans , a estrutura desenvolvida deve ser utilizável em todo o mundo biológico.

"As pessoas geralmente não pensam que os organismos vivos podem ser modelados matematicamente, "disse o Dr. Ahamed." Mas há um número finito de movimentos que qualquer animal pode fazer e há uma probabilidade mensurável de que eles façam certos movimentos em detrimento de outros. Estamos agora no estágio em que podemos encontrar estruturas matemáticas. Próximo, vamos desenvolver equações e modelos para explicar essas estruturas. "