Formação de padrões em matéria ativa e biologia: misturas bacterianas e vegetação

Resumo

O surgimento de funções biológicas complexas depende da formação espontânea de padrões espaço-temporais entre agentes como células, plantas e animais. Na primeira parte deste projeto, investigaremos o comportamento coletivo de misturas binárias de células bacterianas e como elas formam padrões cooperativos ou competitivos. Vamos nos concentrar em fenômenos semelhantes à chamada ""separação de fases induzida por motilidade"" encontrada em coleções de partículas ativas (i.e., com motilidade) como fluidos bacterianos, onde a persistência de movimento assume o papel das ""forças atrativas"" na geração de aglomeração. É conhecido que, em comparação com sistemas de partículas idênticas, a fenomenologia das misturas passivas (i.e., sem motilidade) é muito mais rica. O estudo de misturas bacterianas é, portanto, de grande relevância, pois diferentes espécies e cepas bacterianas frequentemente coexistem na natureza. Este projeto busca descobrir novas características que aparecem apenas para misturas, e.g., a evolução lenta dos perfis de segregação em sistemas densos, para os quais não há resultados. Nossas perguntas serão respondidas por meio de uma combinação de métodos teóricos, simulações e colaboração com experimentalistas. Inicialmente, consideraremos misturas recíprocas onde ambos os tipos de bactérias possuem a mesma motilidade, ou seja, as mesmas velocidades de autopropulsão e taxas de reorientação. Conforme encontrado em Biologia, consideraremos o cenário em que as propriedades de motilidade de cada tipo são afetadas reciprocamente pela presença do outro tipo. Essas interações de ""quorum-sensing"" podem ser alcançadas no laboratório através da modificação genética da sinalização bioquímica de cada tipo; ao fazer isso, suas propriedades de motilidade passam a depender da concentração de moléculas altamente difusivas produzidas somente pelo outro tipo. Com esse mecanismo, foi demonstrado o surgimento de co-localização (ou anti-localização) dos tipos. No entanto, várias questões permanecem abertas. Um exemplo é o acoplamento ambiental que surge em misturas bacterianas compartimentalizadas em nichos espaciais. Outra questão é se os tipos bacterianos Ae B podem regular suas motilidades de modo que A se mova com velocidade de autopropulsão mais alta na presença de B, enquanto B se move com uma velocidadede autopropulsão mais baixa na presença de A, efetivamente levando a um fenômeno de ""perseguição"". Finalmente, consideraremos bactérias com diferentes motilidades. Responder a essas perguntas corresponderá a passos importantes para evitar a formação patogênica de aglomerados bacterianos encontrados em contaminação médica. Em seguida, investigaremos os requisitos ecológicos mínimos para a formação de padrões de vegetação. Particularmente, estudaremos os efeitos dos gradientes de chuva (como em fronteiras de desertos) e sua variabilidade sazonal. Espera-se que esses ingredientes gerem coexistência entre padrões. Um comportamento similar ocorre durante a separação de fases de fluidos termodinâmicos, onde se sabe que mudanças ambientais abruptas geram a formação de domínios secundários em uma matriz de estruturas primárias em evolução. Mais adiante na dinâmica, todos os domínios se fundem já que o sistema se aproxima do equilíbrio termodinâmico. Para os padrões de vegetação, no entanto, o equilíbrio termodinâmico não existe, o que significa que os ""domínios"" primários e secundários coexistem indefinidamente. As implicações de tal acoplamento primário-secundário de de domínios serão analisadas. Nossos resultados serão comparados com a análise de imagens a partir de dados de satélite disponíveis. Este projeto foi concebido para trazer avanços notáveis em matéria ativa e ecologia teórica, envolvendo uma sinergia de interesses, bem como conhecimentos teóricos e experimentais. A proposta é fisicamente relevante, viável e apresenta grande potencial de aplicação. (AU)