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 decélulas bacterianas e como elas formam padrões cooperativos ou competitivos. Vamosnos concentrar em fenômenos semelhantes à chamada "separação de fases induzidapor 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 comsistemas de partículas idênticas, a fenomenologia das misturas passivas (i.e., semmotilidade) é muito mais rica. O estudo de misturas bacterianas é, portanto, degrande relevância, pois diferentes espécies e cepas bacterianas frequentementecoexistem na Natureza. Este projeto busca descobrir novas características queaparecem apenas para misturas, e.g., a evolução lenta dos perfis de segregação emsistemas densos, para os quais não há resultados. Nossas perguntas serão respondidaspor meio de uma combinação de métodos teóricos, simulações e colaboração comexperimentalistas.Inicialmente, consideraremos misturas recíprocas onde ambos os tipos de bactériaspossuem a mesma motilidade, ou seja, as mesmas velocidades de autopropulsão etaxas de reorientação. Conforme encontrado em Biologia, consideraremos o cenárioem que as propriedades de motilidade de cada tipo são afetadas reciprocamente pelapresença do outro tipo. Essas interações de "quorum-sensing" podem ser alcançadasno laboratório através da modificação genética da sinalização bioquímica de cadatipo; ao fazer isso, suas propriedades de motilidade passam a depender daconcentração de moléculas altamente difusivas produzidas somente pelo outro tipo.Com esse mecanismo, foi demonstrado o surgimento de co-localização (ouanti-localização) dos tipos. No entanto, várias questões permanecem abertas. Umexemplo é o acoplamento ambiental que surge em misturas bacterianascompartimentalizadas em nichos espaciais. Outra questão é se os tipos bacterianos Ae B podem regular suas motilidades de modo que A se mova com velocidade deautopropulsão mais alta na presença de B, enquanto B se move com uma velocidadede autopropulsão mais baixa na presença de A, efetivamente levando a um fenômenode "perseguição". Finalmente, consideraremos bactérias com diferentes motilidades.Responder a essas perguntas corresponderá a passos importantes para evitar aformação patogênica de aglomerados bacterianos encontrados em contaminaçãomédica.Em seguida, investigaremos os requisitos ecológicos mínimos para a formação depadrões de vegetação. Particularmente, estudaremos os efeitos dos gradientes dechuva (como em fronteiras de desertos) e sua variabilidade sazonal. Espera-se queesses ingredientes gerem coexistência entre padrões. Um comportamento similarocorre durante a separação de fases de fluidos termodinâmicos, onde se sabe quemudanças ambientais abruptas geram a formação de domínios secundários em umamatriz de estruturas primárias em evolução. Mais adiante na dinâmica, todos osdomínios se fundem já que o sistema se aproxima do equilíbrio termodinâmico. Paraos padrões de vegetação, no entanto, o equilíbrio termodinâmico não existe, o quesignifica que os "domínios" primários e secundários coexistem indefinidamente. Asimplicações de tal acoplamento primário-secundário de de domínios serão analisadas.Nossos resultados serão comparados com a análise de imagens a partir de dados desatélite disponíveis.Este projeto foi concebido para trazer avanços notáveis em matéria ativa e ecologiateórica, envolvendo uma sinergia de interesses, bem como conhecimentos teóricos eexperimentais. A proposta é fisicamente relevante, viável e apresenta grandepotencial de aplicação.