A pesquisa mais recente da Universidade do Colorado em Boulder (UC Boulder) revela a causa da "beleza imperfeita" das manchas e listras nos animais, fornecendo uma importante base teórica para os cientistas decifrarem os complexos padrões da pele na natureza, e espera-se que promova o desenvolvimento de materiais adaptativos e que mudam de cor.

Manchas e listras há muito desempenham uma variedade de funções na natureza, mas a forma exata como esses padrões requintados são formados sempre intrigou os cientistas. Desta vez, a equipe de pesquisa combinou pela primeira vez simulações matemáticas com processos biológicos reais para revelar como são gerados esses padrões naturais, que parecem regulares, mas sempre apresentam mudanças sutis.

“A natureza está cheia de imperfeições”, disse o líder do projeto, Ankur Gupta, do Departamento de Engenharia Química e Biológica. “Propomos uma teoria simples que explica como as células se reúnem e criam diversos padrões”.

Já em 2023, a equipe propôs uma nova teoria baseada no modelo de reação-difusão de Turing e introduziu o processo físico de 'difusioforese' para explicar como as células ou partículas migram ao longo dos gradientes de concentração. Esta descoberta fornece uma base matemática para explicar a formação de padrões claros em peixes tropicais, cobras e outras espécies. No entanto, os primeiros modelos são mais como simulações físicas e ainda não simularam completamente o comportamento de tecidos biológicos reais e células pigmentares, nem podem explicar que os padrões na natureza não são “réplicas perfeitas”.

O modelo mais recente é aprimorado ao representar células como indivíduos de tamanhos específicos e simular seu movimento e distribuição entre os tecidos. Os padrões gerados pelo novo algoritmo estão mais próximos dos animais reais, apresentando padrões com “imperfeições” naturais e camadas ricas. Por exemplo, as células pigmentares não permanecem estacionárias, mas movem-se, dividem-se e respondem a gradientes químicos. Além disso, o verdadeiro formato do corpo do animal não é um plano regular, e cada curvatura e dobra afeta a distribuição de produtos químicos e a direção de suas marcações. A combinação desses mecanismos biológicos e físicos resulta no que os cientistas chamam de “bela imperfeição”.

Gupta disse: “Você só precisa dar dimensões às células para capturar essas falhas e texturas na natureza”. O novo modelo fornece novas respostas para explicar o fenômeno de padrões naturais ordenados, mas cheios de personalidade, e pode inspirar novas ideias para futuros biomateriais e design de superfícies inteligentes. No futuro, a equipe de pesquisa espera simular interações mais complexas entre células e produtos químicos para melhorar ainda mais o efeito da simulação.

Gupta acrescentou: “Estamos nos inspirando em sistemas naturais imperfeitos e esperamos usar essas qualidades para desenvolver novos materiais funcionais no futuro”. A pesquisa foi publicada na revista Matter.