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Uma gavinha de pepino intacta (parte superior) e uma fita de fibra (parte inferior) que foi extraída de uma gavinha se enrolam da mesma maneira previsível. O estudo da estrutura celular dessas gavinhas ajudou os pesquisadores a compreender um novo tipo de mola. Crédito: Imagem cortesia de Joshua Puzey e Sharon Gerbode
Um novo estudo realizado por cientistas da Universidade de Harvard descreve o mecanismo pelo qual ocorre o enrolamento na planta do pepino e sugere projetos para molas biomiméticas sem torção com respostas mecânicas ajustáveis.
Pesquisadores de Harvard, cativados por um estranho comportamento enrolado nas gavinhas do pepino, caracterizaram um novo tipo de mola que é macia quando puxada suavemente e rígida quando puxada com força.
Em vez de se desenrolarem formando uma fita plana sob tensão, como normalmente faria uma bobina sem torção, as gavinhas do pepino na verdade enrolam-se ainda mais. A compreensão desse comportamento contra-intuitivo exigiu uma combinação de modelagem física e matemática e biologia celular – sem mencionar uma grande quantidade de silicone.
O resultado, publicado na edição de 31 de agosto da Ciência, descreve o mecanismo pelo qual ocorre o enrolamento na planta do pepino e sugere um novo tipo de mola sem torção. Liderados pelo professor L. Mahadevan, os pesquisadores foram motivados pela simples curiosidade sobre o mundo natural.
“A natureza resolveu todos os tipos de problemas energéticos e mecânicos, fazendo-o muito lentamente e realmente acertando”, diz a autora principal Sharon Gerbode, ex-bolsista de pós-doutorado na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard (SEAS), que agora possui um corpo docente. posição no Departamento de Física do Harvey Mudd College. “Mas poucas pessoas estudaram os mecanismos biológicos do ponto de vista de um físico ou de um engenheiro. Mal tivemos que arranhar a superfície com esta pergunta sobre o pepino – como ele se enrola? O que poderia ser uma pergunta mais simples? E o que realmente descobrimos foi um novo tipo de fonte que ninguém havia caracterizado antes.”
As gavinhas enroladas das trepadeiras – pepinos, ervilhas e videiras, por exemplo – permitem que as plantas se elevem em direção à luz solar e se segurem firmemente em estruturas como árvores ou treliças. No entanto, o mecanismo biológico e físico deste enrolamento, ao nível das células e dos tecidos, permaneceu um mistério.
A gavinha do pepino começa como uma haste reta que se alonga até encontrar algo em que se agarrar. Depois, preso em ambas as extremidades, forma uma hélice esquerda e uma hélice direita, unidas no centro por uma “perversão” – o termo surpreendentemente vitoriano de Charles Darwin para o ponto em que o enrolamento muda de direcção.
“É fácil criar uma dessas molas sem torção com um fio telefônico”, diz Gerbode, “e elas são irritantes. Mas com o fio telefônico, você pode puxar as duas pontas e ele se endireitará formando uma fita plana. O que é estranho na gavinha do pepino é que se você puxar as pontas, ela realmente se enrola, adicionando mais voltas às duas hélices.”
Para explorar o mecanismo desse comportamento, Gerbode e seus colegas de Harvard examinaram mais de perto as células e os tecidos dentro da gavinha.
Uma fita fibrosa, feita de células semelhantes a fios chamadas células de fibra gelatinosa (fibra G), percorre toda a extensão de cada gavinha. Com duas camadas de células de espessura, esta fita parece fornecer a força necessária para que a gavinha forme uma hélice sem o benefício do músculo. Se as células de um lado dessa fita se contraíssem, pensaram os pesquisadores, isso forçaria a fita a se curvar e enrolar.
Gerbode e co-autor Joshua Puzey, Ph.D. '12, que na época estudava biologia organísmica e evolutiva na Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências (GSAS), tentou reconstruir a fita de fibra com um modelo de silicone. Eles esticaram uma folha de silicone elástico, prenderam as pontas e depois espalharam uma fina camada de calafetagem de silicone em sua superfície. Quando a calafetagem curou, eles cortaram uma tira fina do modelo, seguraram as duas extremidades e observaram-no enrolar-se em um par de hélices perfeitas. Quando puxaram ambas as extremidades, no entanto, ele simplesmente se desfez e ficou plano, sem adicionar nenhuma bobina extra.
“Foi nessa época que passei muito tempo puxando fios telefônicos”, diz Gerbode.
A chave, no fim das contas, estava dentro das células de fibra G. Tais células foram estudadas extensivamente em árvores; eles têm a capacidade de encolher ou alongar, graças a um tipo especial de arquitetura na parede celular.
“A camada celular interna da gavinha contém mais lignina, que é uma espécie de cola que dá rigidez às paredes celulares e mantém unidas as microfibrilas de celulose, que são como vergalhões nas células”, diz Puzey. “Achamos que essa rigidez devia estar relacionada de alguma forma ao enrolamento.”
Para testar a ideia, Gerbode e Puzey colaram uma fita de tecido em um lado do modelo de silicone e um fio de cobre no outro lado. Por fim, a tira de silicone formou um par de hélices que se enrolaram, assim como a gavinha do pepino.
A estrutura que encontraram é uma mola feita de duas hélices unidas e opostas, cuja rigidez à flexão é maior do que a rigidez à torção. Por outras palavras, para formar esta estrutura específica, os materiais envolvidos têm de facilitar a torção axial da fita do que a alteração da sua curvatura. Por meio de modelos matemáticos desenvolvidos por Mahadevan e pelo coautor Andrew McCormick, estudante de pós-graduação em física no GSAS, a equipe conseguiu compreender completamente os parâmetros e sintetizar um princípio simples para o projeto das molas.
A etapa final da pesquisa foi abordar as implicações biológicas. Ao extrair a fita de fibra de uma gavinha de pepino, o grupo de Mahadevan já havia notado que a umidade desempenhava um papel no comportamento da primavera. À medida que a fita extraída secava, sua rigidez aumentava e ela enrolava com mais força. A lignina também é conhecida por ser hidrofóbica, repelindo a água. Além disso, a equipa de Mahadevan mediu a resposta mecânica das gavinhas jovens e das mais velhas, descobrindo que as gavinhas mais velhas oferecem muito mais resistência ao puxar, um facto que explicaram através de uma combinação de teoria e simulações de computador.
Embora os pesquisadores ainda não tenham explorado essas descobertas de uma perspectiva evolutiva, eles levantam a hipótese de que a estrutura em espiral madura permite às trepadeiras a quantidade certa de flexibilidade estrutural.
“Você quer que a planta faça uma conexão forte e segura, mas também não quer que ela seja muito rígida ou que se quebre”, explica Gerbode. “Você quer que ele tenha um pouco de flexibilidade para que, se o vento soprar ou um animal passar por ele, ele não quebre. Portanto, uma possibilidade é que esse enrolamento excessivo permita que a planta acomode facilmente pequenos movimentos, mas se algo realmente sério acontecer, ela poderá ficar muito rígida e se proteger.”
Para estudar ainda mais o significado evolutivo da morfologia da gavinha, os pesquisadores teriam que estudar as espirais em numerosos espécies e tentar reconstruir a história evolutiva dessa característica. Mahadevan disse que tal projeto poderia fornecer importantes informações ecológicas.
“A vantagem de usar gavinha é que a fábrica economiza em maquinários complexos para construir suportes estruturais, como troncos e galhos”, diz Mahadevan. “A desvantagem é que precisa depender de outras espécies para construir esses suportes. Assim, as gavinhas são uma adaptação que provavelmente se desenvolverá apenas em regiões repletas de vegetação que possa fornecer suporte e onde a competição por recursos seja intensa.
“A verdadeira questão continua a ser esta: quão difícil é desenvolver soluções semelhantes a gavinhas?”
Referência: “How the Cucumber Tendril Coils and Overwinds” por Sharon J. Gerbode, Joshua R. Puzey, Andrew G. McCormick e L. Mahadevan, 31 de agosto de 2012, Ciência.
DOI: 10.1126/science.1223304