Como nadar sem cérebro: potencial para nanobots médicos
Muitos microrganismos podem mover-se de forma orientada para um objetivo em líquidos. Como é que o fazem sem um sistema nervoso complexo?
As bactérias conseguem fazê-lo, as amebas conseguem fazê-lo, até as células sanguíneas conseguem fazê-lo: todas elas têm a capacidade de se moverem de forma orientada para um objetivo em líquidos. E fazem-no apesar de terem estruturas extremamente simples, sem um sistema de controlo central (como um cérebro). Como é que isto pode ser explicado? Uma equipa da TU Wien, da Universidade de Viena e da Universidade de Tufts (EUA) simulou este tipo de movimento num computador e conseguiu mostrar que os movimentos de natação são possíveis mesmo sem uma unidade de controlo central. Isto não só explica o comportamento dos microrganismos, como também pode permitir que os nanobots se movimentem de forma direcionada, por exemplo, para transportar medicamentos para o local certo no corpo.
Sucesso mesmo sem um sistema de controlo central
"Os microrganismos simples podem ser imaginados como sendo compostos por várias partes, um pouco como um colar de pérolas", diz Benedikt Hartl, do Instituto de Física Teórica da TU Wien e do Allen Discovery Center da Universidade de Tufts, autor principal da publicação atual. "As partes individuais podem mover-se umas em relação às outras. Queríamos saber: em que circunstâncias é que isto resulta num movimento que faz com que todo o organismo se mova numa direção desejada?"
Isto é relativamente simples se existir um sistema de controlo central - algo como um cérebro ou, pelo menos, um centro nervoso. Esse centro pode emitir comandos específicos para as partes individuais. É fácil compreender como é que isto pode resultar num movimento coordenado.
Mas um organismo unicelular não tem, naturalmente, células nervosas, nem um sistema de processamento central que possa emitir comandos. Como é possível, neste caso, que surja um movimento de natação coordenado? Se todas as partes individuais do microrganismo se comportarem de acordo com regras muito simples, poderá isto resultar num comportamento coletivo que conduza a uma natação eficiente?
Microrganismos simulados num computador
Esta questão foi investigada através de simulações em computador: os microrganismos foram modelados como cadeias de esferas interligadas. Cada uma destas pérolas pode exercer uma força para a esquerda ou para a direita, mas cada pérola apenas conhece a posição das suas vizinhas imediatas. Não há conhecimento do estado global do organismo ou das contas mais distantes.
"A questão crucial agora é: Haverá um sistema de controlo, um conjunto de regras simples, uma estratégia comportamental que cada pérola possa seguir individualmente para que surja um movimento de natação coletivo - sem qualquer unidade de controlo central?", diz Benedikt Hartl.
No computador, as contas individuais - as partes simuladas do microrganismo virtual - foram equipadas com uma forma muito simples de inteligência artificial, uma rede neural minúscula com apenas 20 a 50 parâmetros, explica Hartl: "O termo rede neural é talvez um pouco enganador neste contexto; é claro que um organismo unicelular não tem neurónios. Mas estes sistemas de controlo simples podem ser implementados dentro de uma célula, por exemplo, através de circuitos físico-químicos muito simples que fazem com que uma área específica do micro-organismo execute um movimento específico".
Este sistema de controlo simples e descentralizado foi agora adaptado ao computador em busca do "código de controlo" mais eficiente possível que produz o melhor comportamento de natação. Com cada versão deste sistema de controlo, o micro-organismo virtual foi autorizado a nadar num fluido viscoso simulado.
"Conseguimos demonstrar que esta abordagem extremamente simples é suficiente para produzir um comportamento de natação altamente robusto", afirma Benedikt Hartl. "Embora o nosso sistema não tenha controlo central e cada segmento do microrganismo virtual se comporte de acordo com regras muito simples, o resultado global é um comportamento complexo que é suficiente para uma locomoção eficiente."
Biologia e tecnologia
Este resultado não é apenas interessante porque explica o comportamento complexo de sistemas biológicos muito simples, mas também pode ser interessante para nanobots produzidos artificialmente: "Isto significa que também seria possível criar estruturas artificiais capazes de realizar tarefas complexas com uma programação muito simples", diz Andreas Zöttl (Universidade de Viena). "Seria concebível, por exemplo, construir nanobots que procurassem ativamente a poluição por petróleo na água e ajudassem a removê-la. Ou mesmo nanobots médicos que se deslocam autonomamente para locais específicos do corpo para libertar um medicamento de forma direcionada."
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