Bactérias e células humanas começaram a desenhar espirais que a física clássica não previa: matéria viva quebra a simetria enquanto se organiza
Pesquisa revela que bactérias e células respiratórias formam trajetórias espirais irreversíveis e desafiam modelos tradicionais de organização coletiva
Bactérias e células humanas revelaram um comportamento coletivo que desafia modelos tradicionais da física. Pesquisadores descobriram que esses organismos formam estruturas que se movimentam em trajetórias espirais, quebrando uma simetria anteriormente prevista. A descoberta mostra como a autopropulsão celular modifica as regras de organização da matéria viva.
Como a matéria ativa produz espirais que surpreenderam os cientistas?
Quando numerosas células se movimentam próximas umas das outras, podem formar padrões organizados semelhantes aos observados em cristais líquidos. Esses sistemas são conhecidos como nemáticos ativos, pois seus componentes conseguem consumir energia e gerar movimento continuamente, diferentemente dos materiais passivos em equilíbrio.
Pesquisadores da Universidade Ben-Gurion do Neguev, em Israel, descobriram que os padrões produzidos por células vivas não obedecem completamente às simetrias previstas por modelos nemáticos convencionais. Em vez de seguirem trajetórias espelhadas, determinadas estruturas se deslocam em curvas, formando movimentos espirais que revelam propriedades adicionais da organização coletiva.
O que as bactérias e células humanas revelaram sobre a quebra de simetria?
Os experimentos envolveram enxames da bactéria Bacillus subtilis e células epiteliais brônquicas humanas cultivadas em laboratório. Apesar das diferenças biológicas e das velocidades de deslocamento, os dois sistemas apresentaram defeitos topológicos semelhantes, classificados como positivos e negativos, com cargas de +1/2 e −1/2.
Esses defeitos correspondem a pontos onde a orientação coletiva das células deixa de seguir o padrão encontrado ao redor. Os pesquisadores acompanharam sua formação, movimentação e desaparecimento, identificando cinco características importantes:
- Defeitos positivos e negativos surgem em pares;
- As estruturas apresentam trajetórias curvas e espirais;
- Os movimentos podem ocorrer nos sentidos horário e anti-horário;
- A criação e a destruição dos defeitos não são processos reversíveis;
- Forças direcionais produzidas pelas células ajudam a explicar a assimetria.
Por que a autopropulsão celular altera as previsões da física?
Os modelos nemáticos descrevem sistemas nos quais estruturas alongadas tendem a se alinhar. Entretanto, essa organização considera principalmente a orientação dos elementos, sem distinguir necessariamente suas extremidades. Nos sistemas vivos, cada célula também pode produzir forças direcionais durante seu deslocamento.
A combinação entre alinhamento nemático e autopropulsão polar modifica as forças presentes perto dos defeitos topológicos. O resultado é uma tendência de rotação que pode surgir espontaneamente, levando os defeitos a seguir trajetórias espirais. Isso não significa violação das leis fundamentais da física, mas evidencia limitações de modelos simplificados.
Quais evidências científicas demonstraram a quebra espontânea de simetria?
O estudo foi liderado por Avraham Be’er e Victor Yashunsky, da Universidade Ben-Gurion, com colaboradores da Universidade Bar-Ilan e da Universidade de Genebra. Publicado em 18 de agosto de 2026 na revista Nature Physics, o artigo científico original combinou observações microscópicas, análise de trajetórias e modelagem matemática.
Os pesquisadores também estimaram a produção de entropia associada aos movimentos coletivos. Os resultados demonstraram que a formação de um par de defeitos não corresponde simplesmente ao desaparecimento do mesmo par reproduzido ao contrário. Essa irreversibilidade indica dissipação de energia e reforça a importância das forças geradas continuamente pelos organismos.
O que diferencia o comportamento das bactérias e das células respiratórias?
As bactérias Bacillus subtilis movimentam-se rapidamente em enxames densos, formando fluxos que podem mudar de direção em poucos segundos. Já as células epiteliais humanas se deslocam muito mais lentamente e permanecem conectadas em camadas semelhantes aos tecidos que revestem as vias respiratórias.
Apesar dessas diferenças, os dois sistemas apresentam defeitos com características geométricas semelhantes. A descoberta sugere que a interação entre alinhamento e forças direcionais pode representar um princípio físico compartilhado por diferentes organismos.
| Característica | Bactérias | Células humanas |
|---|---|---|
| Organismo | Bacillus subtilis | Epitélio brônquico |
| Movimento | Rápido | Lento |
| Defeitos | +1/2 e −1/2 | +1/2 e −1/2 |
| Trajetórias | Espirais irreversíveis | Espirais irreversíveis |
Como a descoberta pode ajudar a compreender tecidos e comunidades bacterianas?
A organização coletiva das células participa de processos biológicos importantes, incluindo deslocamento de tecidos, formação de colônias bacterianas e reparação de ferimentos. Compreender as forças responsáveis pelos defeitos topológicos poderá melhorar modelos usados para investigar esses fenômenos.
Entretanto, o estudo não demonstra diretamente aplicações médicas ou formas de controlar infecções bacterianas. Novos experimentos precisarão verificar como essas trajetórias influenciam tecidos reais e comunidades microbianas complexas. O avanço estabelece uma base física para compreender por que sistemas vivos podem desenvolver movimentos diferentes daqueles previstos para materiais passivos.
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