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OPINIÃO

Texto em que o autor apresenta e defende suas ideias e opiniões, a partir da interpretação de fatos e dados.

'Design' natural: como ciência explica tantas formas simétricas na natureza

Flor é um exemplo de simetria produzida pela evolução da natureza - Quino Al/ Unsplash
Flor é um exemplo de simetria produzida pela evolução da natureza Imagem: Quino Al/ Unsplash
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Daniel Schultz, Monica Matsumoto, Shridhar Jayanthi, Guilherme Pimentel, Luiz Gustavo Martins e Cristina Schultz

sobre os colunistas

Daniel Schultz é cientista, professor de microbiologia e membro do núcleo de ciências computacionais em Dartmouth (EUA). Estuda a dinâmica dos processos celulares, com foco na evolução de bactérias resistentes a antibióticos. É formado em engenharia pelo ITA, doutor em química pela Universidade da Califórnia San Diego e pós-doutorado em biologia sistêmica em Harvard. Possui trabalhos de alto impacto publicados em várias áreas, da física teórica à biologia experimental, e busca integrar essas várias áreas do conhecimento para desvendar os detalhes de como funciona a vida ao nível microscópico.

Monica Matsumoto

Monica Matsumoto é cientista e professora de Engenharia Biomédica no ITA. Curiosa, tem interesse em áreas multidisciplinares e procura conectar pesquisadores em diferentes campos do conhecimento. É formada em engenharia pelo ITA, doutora em ciências pela USP e trabalhou em diferentes instituições como InCor/HCFMUSP, UPenn e EyeNetra.

Shridhar Jayanthi

Shridhar Jayanthi é agente de patentes com registro no escritório de patentes norte-americano (USPTO). Tem doutorado em engenharia elétrica pela Universidade de Michigan (EUA) e diploma de engenheiro de computação pelo ITA. Atualmente, trabalha com empresas de alta tecnologia para facilitar obtenção de patentes e, nas (poucas) horas vagas, é estudante de problemas na intersecção entre direito, tecnologia e sociedade. Antes disso, teve uma vida acadêmica com passagens pela Rice, MIT, Michigan, Pennsylvania e no InCor/USP, e trabalhou com pesquisa em áreas diversas da matemática, computação e biologia sintética.

Guilherme Pimentel

Guilherme Pimentel é pesquisador no instituto de física da Universidade de Amsterdã na Holanda, onde trabalha com novas teorias para explicar a expansão acelerada do Universo. Possui graduação em engenharia eletrônica, mestrado em física pelo ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) e doutorado em física na Universidade de Princeton. Sua pesquisa é focada em cosmologia e física de partículas.

Luiz Gustavo Martins

Luiz Gustavo Martins é engenheiro químico, mestrado em física pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Atualmente é doutorando no MIT (Massachusetts Institute of Technology), na área de física do estado sólido experimental, onde trabalha espectroscopia óptica em materiais bidimensionais (com poucos átomos de espessura) e física de altas pressões.

Cristina Schultz

Cristina Schultz é oceanógrafa formada pela USP (Universidade de São Paulo), com mestrado em meteorologia pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e doutorado em oceanografia química pelo WHOI (Woods Hole Oceanographic Institution) e o MIT (Massachusetts Institute of Technology). Atualmente é cientista visitante na Universidade de Princeton, no NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e no Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Laboratório de Dinâmica de Fluidos Geofísicos). Sua pesquisa combina o uso de dados coletados em cruzeiros oceanográficos, dados de satélite e modelos climáticos para entender as consequências das mudanças climáticas na química do oceano e no ecossistema marinho.

Daniel Schultz

03/05/2022 04h00

Você com certeza já reparou nas formas simétricas espalhadas pela natureza. Na semelhança entre o lado esquerdo e o direito do seu corpo, na simetria radial de uma flor ou nos cinco braços da estrela-do-mar.

Certamente é satisfatório notar um aspecto matemático nas formas naturais, e até nos parece natural que seja assim. Nos dá a impressão de uma certa engenharia envolvida no design dos seres vivos. Mas a verdade é que não entendemos como um processo confuso como a evolução acaba priorizando formas simétricas.

Seriam as formas simétricas em geral mais funcionais? Em alguns casos nos parece que sim, por argumentos mecânicos. Seria complicado andarmos em linha reta se uma de nossas pernas fosse completamente diferente da outra.

Mas outros casos são menos óbvios. Nada impediria que uma flor tivesse várias pétalas diferentes, por exemplo. Assim como seu coração também não está bem no meio do seu peito.

Um estudo recente da Inglaterra (com participação do brasileiro Chico Camargo) sugere que a razão da prevalência das formas simétricas na natureza não seja porque são necessariamente mais funcionais, mas simplesmente porque são mais fáceis de serem construídas.

Basicamente, o uso de formas simétricas seria uma maneira de se obter maior complexidade com menos instruções.

Nós tendemos a pensar na evolução como algo que molda as formas naturais para executar alguma função. Afinal, evoluímos olhos porque precisamos enxergar. Mas na realidade a evolução molda essas formas apenas indiretamente.

O que a evolução faz é alterar as instruções para a construção das formas naturais, codificadas no DNA.

As formas resultantes depois são julgadas pela seleção natural. Assim, a maneira como as formas são codificadas é uma parte importante do processo evolutivo.

Além disso, essas instruções vão sendo escritas de maneira aleatória no DNA. Para incrementar as formas naturais, temos que esperar que codificações para as inovações surjam meio que por acaso, para depois serem selecionadas pelo processo evolutivo. Portanto, é interessante pensar numa versão algorítmica da evolução.

Uma analogia interessante é a do macaco na máquina de escrever, pressionando teclas aleatórias. Se o dermos tempo suficiente, por fim o macaco acabará escrevendo as obras completas de Shakespeare (assim como todos os livros possíveis em todas as línguas possíveis).

Obviamente, o macaco necessitaria de uma vida extremamente longa para tal empreitada. Porém, se abaixássemos nossas expectativas para "apenas" um parágrafo, provavelmente não precisaríamos esperar tanto.

Dessa maneira, é esperado que a evolução priorize algoritmos mais curtos, simplesmente porque são mais prováveis. E a maneira mais simples de se conseguir isso é pela utilização repetida de módulos funcionais.

Ao invés de se planejar cada pétala, pega-se o código para gerar uma pétala e dá-se uma instrução para repetir ao redor de toda a flor.

E é assim em todas as escalas da vida.

No nível molecular, complexos de proteínas, capsídeos virais, e até mesmo estruturas de RNA apresentam formas simétricas.

Os autores do estudo simularam a evolução dessas estruturas moleculares a partir das instruções para gerá-las. No caso de um complexo de proteínas com mais de 13 milhões de formas possíveis, em 30% das vezes o algoritmo resultou em uma das cinco formas simétricas organizadas num quadrado.

Simetrias em níveis mais complexos são herdadas do nível molecular.

A complexidade de organismos mais desenvolvidos geralmente resulta da quebra de simetrias.

Nós mesmos não temos a mesma simetria radial de uma água-viva ou de uma minhoca. Mas ainda assim conservamos as mesmas simetrias no nível molecular e a maneira parcimoniosa de escrever nosso DNA.

Entendendo a simplicidade das regras de nossa construção no nível mais básico, podemos começar a entender as origens de nossa complexidade.