Um novo estudo liderado por pesquisadores da Ben-Gurion University of the Negev (BGU) revela que a matéria viva desafia princípios físicos conhecidos sobre a formação e quebra de padrões coletivos. Publicado na revista Nature Physics, o estudo desafia a física convencional ao mostrar que bactérias e células respiratórias humanas formam padrões quebrando simetria espacial.

A pesquisa foi conduzida por professores Avraham Be'er e Victor Yashunsky do Jacob Blaustein Institutes for Desert Research e Departamento de Física, junto com Professor Gil Ariel da Bar-Ilan University e Professor D. J. G. Pearce da Universidade de Genebra.

O estudo desvenda o mistério das 'cowlicks' biológicas e dos giros celulares. Em física, agrupamentos de objetos cilíndricos se alinham e fluem juntos como cristais líquidos. No entanto, bactérias e células vivas formam um estado chamado 'nematico ativo', onde defeitos naturais constantemente formam pares.

Conforme observado em dois sistemas biológicos muito diferentes—bactérias Bacillus subtilis que nadam rapidamente e células humanas respiratórias que se arrastam lentamente—os pesquisadores descobriram que os sistemas vivos quebram essas expectativas físicas:

Desafio à simetria espacial

- Quebra espontânea da simetria espacial: Em vez de seguir caminhos simétricos, os defeitos seguem trajetórias distintas, girando para cima ou para baixo, quebrando a simetria espacial.

- Caminhos espirais persistentes: Em vez de se moverem em linhas retas, os pares de defeitos viajam em direção e afastamento uns dos outros em trajetórios espirais curvos, rotacionando juntos enquanto se movem.

- Tempo biológico irreversível: Medindo a produção de entropia, os pesquisadores descobriram que a formação de um par de defeitos não é simplesmente o filme de sua destruição ao contrário. Esses eventos de criação e destruição servem como principais motoristas irreversíveis da dissipação de energia nos sistemas vivos.

Novo modelo 'nemato-polar'

Para conectar a matéria viva à física sintética, a equipe desenvolveu um modelo ativo 'nemato-polar'. Este modelo explica como as células se movem em direção a um objetivo, consumindo combustível químico, introduzindo polaridade na organização nemática.

Esta polaridade direcionada cria um torque giratório interno no momento em que os defeitos são formados, empurrando-os em trajetórios espirais permanentes desde o momento de sua formação até sua colisão e desaparecimento.