Uma equipe da Universidade de Genebra (UNIGE) analisou em detalhes como esses padrões se formam no embrião utilizando técnicas de imagem e simulações computacionais. Eles descobriram que o crescimento desigual das diferentes camadas de tecidos provoca a formação de cúpulas, que se apoiam nos vasos sanguíneos subjacentes.
Imagem volumétrica do nariz de um embrião de cão, obtida por microscopia de fluorescência chamada "de lâmina de luz".
© Milinkovitch, Dagenais
Este trabalho descreve pela primeira vez esse processo de morfogênese, o qual poderá explicar a formação de outras estruturas biológicas associadas a vasos sanguíneos. Ele pode ser encontrado na revista Current Biology.
O mundo vivo apresenta formas notáveis, algumas das quais são identificáveis por seus padrões de coloração ou formas. É assim que reconhecemos as zebras ou os guepardos pelas repetições geométricas em seus pelos ou as pinhas por sua organização em espirais regulares. Esses padrões fascinantes são gerados por diferentes processos de morfogênese, ou seja, o aparecimento de formas durante o desenvolvimento embrionário.
Por um lado, a morfogênese de auto-organização química permite o surgimento de estruturas ou padrões a partir de reações químicas. Um exemplo particularmente elucidativo é o modelo de reação-difusão de Turing, no qual substâncias químicas se difundem e interagem para criar padrões relativamente regulares, como listras ou manchas na pele de mamíferos e répteis.
Por outro lado, algumas formas resultam de restrições mecânicas. As circunvoluções do cérebro, por exemplo, surgem por um processo de crescimento diferencial: o córtex forma dobras porque cresce mais rápido do que a camada mais profunda à qual está ligado.
A diversidade do mundo vivo
O grupo de Michel Milinkovitch, professor do Departamento de Genética e Evolução da Faculdade de Ciências da UNIGE, estuda a evolução dos mecanismos de desenvolvimento que geram a complexidade e diversidade das espécies. "Encontrar exemplos para estudar a beleza dos padrões no mundo vivo é fácil. Basta olhar ao nosso redor! Nosso mais recente estudo concentra-se particularmente no nariz do cão, cuja pele apresenta uma rede singular de estruturas poligonais", explica Michel Milinkovitch.
A pele glabra do rinário (nariz) de muitas espécies de mamíferos possui de fato uma rede de polígonos formados por sulcos na pele. Estes, ao reterem fluidos fisiológicos, permitem manter o nariz úmido e, entre outras coisas, facilitam a coleta de moléculas odorantes e feromônios. A equipe de Genebra colaborou com a Universidade de Paris-Saclay, a Escola Nacional de Veterinária de Alfort (EnvA) e o Instituto de Neurociências de San Juan de Alicante na coleta de amostras de rinários de embriões de cães, vacas e furões.
Visualização dos narizes em 3D
Essas amostras foram observadas por microscopia chamada de "fluorescência de lâmina de luz", uma técnica que permite visualizar estruturas biológicas em três dimensões.
Os pesquisadores observaram nas três espécies de mamíferos que as redes poligonais de dobras da epiderme - a camada externa da pele - surgem durante a embriogênese e que elas se sobrepõem sistematicamente a uma rede subjacente de vasos sanguíneos rígidos, localizados a nível da derme - a camada profunda da pele.
Eles também observaram que a proliferação das células da epiderme era mais rápida do que a das células da derme.
Os vasos sanguíneos, "pilares arquitetônicos"
Com base nesses dados, um modelo matemático permitiu aos cientistas realizar simulações computacionais do crescimento dos tecidos.
Essas simulações levam em consideração a diferença na velocidade de crescimento entre a derme e a epiderme, sua rigidez respectiva e, principalmente, a presença de vasos sanguíneos na derme. "Nossas simulações numéricas mostram que o estresse mecânico gerado pelo crescimento excessivo da epiderme se concentra nas posições dos vasos, que formam pontos de apoio rígidos.
As camadas epidermais são então empurradas para fora formando cúpulas - algo como abóbadas que se erguem contra pilares rígidos", explica Paule Dagenais, pós-doutoranda no Departamento de Genética e Evolução da Faculdade de Ciências da UNIGE e primeira autora do estudo.
Esses resultados demonstram que, no caso dos rinários, a posição das estruturas poligonais da epiderme é imposta pela posição dos vasos sanguíneos rígidos da derme, que exercem forças locais durante o crescimento da epiderme, levando à formação de sulcos e cúpulas em pontos específicos.
"É a primeira vez que esse mecanismo, que chamamos de 'informação posicional mecânica', é descrito para explicar a formação de estruturas durante o desenvolvimento embrionário. Mas não temos dúvidas de que ele ajudará a explicar a formação de outras estruturas biológicas associadas à presença de vasos sanguíneos", conclui Michel Milinkovitch.