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

• Processo: 21/10139-2
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de janeiro de 2022
• Data de Término da vigência: 30 de novembro de 2022
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física
• Pesquisador responsável: Nathan Jacob Berkovits
• Beneficiário: Pablo Souza de Castro Melo
• Instituição Sede: Instituto de Física Teórica (IFT). Universidade Estadual Paulista (UNESP). Campus de São Paulo. São Paulo , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 16/01343-7 - ICTP Instituto Sul-Americano para Física Fundamental: um centro regional para física teórica, AP.ESP
• Assunto(s): Física aplicada Biologia Sistemas complexos Chuva Sazonalidade Mudanças ambientais globais
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: biologia quantitativa | padrões em biologia | Sistemas Complexos | Física aplicada à biologia

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)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

ROJAS-VEGA, MAURICIO; DE CASTRO, PABLO; SOTO, RODRIGO. Wetting dynamics by mixtures of fast and slow self-propelled particles. PHYSICAL REVIEW E, v. 107, n. 1, p. 6-pg., 2023-01-24. (22/13872-5, 21/14335-0, 21/10139-2)