O Problema da Morfogênese
Todas as células de um organismo contêm o mesmo DNA. No entanto, as células se diferenciam — tornando-se células hepáticas, neurônios, células da pele, com formas e funções completamente diferentes. E padrões espaciais surgem espontaneamente — as manchas em um leopardo, as listras em uma zebra, as espirais de uma concha de náutilo. Como surge a informação posicional em um sistema quimicamente uniforme? Este é o problema da morfogênese.
Sistemas de Reação-Difusão
Turing propôs que dois produtos químicos — um ativador e um inibidor — difundindo-se a taxas diferentes através do tecido podem quebrar espontaneamente a simetria espacial. O ativador promove sua própria produção e a do inibidor; o inibidor suprime o ativador. Se o inibidor se difunde mais rápido que o ativador, surgem padrões espaciais estáveis (padrões de Turing) — listras, manchas ou geometrias mais complexas, dependendo dos parâmetros. A percepção chave: padrões biológicos complexos podem surgir de uma química simples sem um projeto preexistente.
Confirmação e Legado
Os padrões de Turing foram confirmados experimentalmente em sistemas químicos (reação de Belousov-Zhabotinsky) e, décadas depois, em sistemas biológicos: o espaçamento dos dedos (sinalização BMP e Noggin), o padrão de folículos pilosos e padrões de pigmento em peixes. Em 2012, um estudo confirmou que o padrão de cristas no palato do camundongo segue o mecanismo de reação-difusão de Turing. O artigo que Turing considerou um projeto secundário menor tornou-se fundamental para a biologia do desenvolvimento.
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Sobre o que é o artigo de morfogênese de Turing?
O artigo de Turing de 1952 'A Base Química da Morfogênese' propõe que dois produtos químicos difundindo-se a taxas diferentes — um ativador e um inibidor de difusão mais rápida — podem gerar espontaneamente padrões espaciais estáveis (padrões de Turing) em tecidos quimicamente uniformes. Este mecanismo, argumentou ele, é a base da formação de padrões biológicos: marcações animais, espaçamento dos dedos e desenvolvimento de órgãos.
Os padrões de Turing são reais na biologia?
Sim. Os padrões de Turing foram confirmados em múltiplos sistemas biológicos: o espaçamento dos dedos é regido pela dinâmica de reação-difusão BMP-Noggin; o padrão de folículos pilosos; a pigmentação de peixes (as listras do peixe-zebra seguem as equações de Turing); e a formação de cristas palatinas em camundongos (confirmado em 2012). O mecanismo que Turing descreveu em 1952 é agora um conceito fundamental na biologia do desenvolvimento.
O que é um sistema de reação-difusão?
Um sistema de reação-difusão envolve dois ou mais produtos químicos que reagem entre si (produção, destruição, ativação, inibição) enquanto também se difundem pelo espaço. Se as taxas de reação e difusão estiverem no regime certo, o sistema desenvolve espontaneamente padrões espaciais estáveis a partir de um estado inicialmente uniforme. Turing analisou isso pela primeira vez em um contexto biológico; a matemática aplica-se à química, ecologia e ciência dos materiais.