As maçãs estão entre as frutas mais antigas e reconhecidas do mundo. Mas você já considerou realmente a forma de uma maçã? As maçãs são relativamente esféricas, exceto por aquela covinha característica no topo onde o caule cresce.
Como as maçãs crescem com essa forma distinta?
Agora, uma equipe de matemáticos e físicos usou observações, experimentos de laboratório , teoria e computação para entender o crescimento e a forma da cúspide de uma maçã. O artigo foi publicado na Nature Physics .
"As formas biológicas são frequentemente organizadas pela presença de estruturas que servem como pontos focais", disse L Mahadevan, professor de Matemática Aplicada, de Biologia Organísmica e Evolutiva e de Física da Escola de Harvard John A. Paulson da Lola England de Valpine Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) e autor sênior do estudo. "Esses pontos focais podem às vezes assumir a forma de singularidades onde as deformações são localizadas. Um exemplo onipresente é visto na cúspide de uma maçã, a covinha interna onde o caule encontra a fruta."
Mahadevan já havia desenvolvido uma teoria simples para explicar a forma e o crescimento das maçãs, mas o projeto começou a dar frutos quando os pesquisadores conseguiram conectar observações de maçãs reais em diferentes estágios de crescimento e experimentos com gel para imitar o crescimento com teoria e cálculos.
A equipe de pesquisa começou coletando maçãs em vários estágios de crescimento de um pomar no Peterhouse College da University of Cambridge, no Reino Unido, (a alma mater de outro famoso amante da maçã, Sir Isaac Newton).
Para compreender a evolução da forma da maçã e da cúspide em particular, os pesquisadores recorreram a uma teoria matemática de longa data conhecida como teoria da singularidade. A teoria da singularidade é usada para descrever uma série de fenômenos diferentes, de buracos negros a exemplos mais mundanos, como os padrões de luz no fundo de uma piscina, quebra de gotículas e propagação de rachaduras.
"O que é empolgante sobre as singularidades é que elas são universais. A cúspide da maçã não tem nada em comum com os padrões de luz em uma piscina ou uma gota que se desprende de uma coluna de água, mas tem a mesma forma que eles", disse Thomas Michaels, ex-bolsista de pós-doutorado na SEAS e co-autor principal do artigo, agora na University College London. "O conceito de universalidade é muito profundo e pode ser muito útil porque conecta fenômenos singulares observados em sistemas físicos muito diferentes."
Construindo a partir dessa estrutura teórica, os pesquisadores usaram simulação numérica para entender como o crescimento diferencial entre o córtex da fruta e o núcleo impulsiona a formação da cúspide. Eles então corroboraram as simulações com experimentos que imitaram o crescimento de maçãs usando gel que inchou com o tempo. Os experimentos mostraram que diferentes taxas de crescimento entre o volume da maçã e a região do colmo resultaram em cúspides semelhantes a covinhas.
"Ser capaz de controlar e reproduzir a morfogênese de cúspides singulares no laboratório com kits de ferramentas de materiais simples foi particularmente emocionante", disse Aditi Chakrabarti, pós-doutoranda na SEAS e co-autora do artigo. "Variando a geometria e a composição das mímicas do gel mostraram como múltiplas cúspides se formam, como pode ser visto em algumas maçãs e outras drupas, como pêssegos, damascos, cerejas e ameixas."
A equipe descobriu que a anatomia subjacente da fruta, juntamente com a instabilidade mecânica, podem desempenhar funções conjuntas na origem de múltiplas cúspides nas frutas.
"A morfogênese, literalmente a origem da forma, é uma das grandes questões da biologia", disse Mahadevan. "A forma da maçã humilde nos permitiu sondar alguns aspectos físicos de uma singularidade biológica. Claro, agora precisamos entender os mecanismos moleculares e celulares por trás da formação da cúspide, à medida que avançamos lentamente em direção a uma teoria mais ampla da biologia forma. "
Esta pesquisa foi co-autora de Sifan Yin, um estudante visitante da Universidade de Tsinghua e Eric Sun, um ex-aluno de graduação em laboratório.
